bài tập lớn đo lường và cảm biến: HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG

NHÓM 4:
NGUYỄN VĂN TIẾN
NGUYỄN HUYỀN TRANG
CAO THANH TÚ
PHẠM TIẾN CÔNG
VŨ MINH ĐỨC

GVHD:VÕ THỊ CẨM THÙY

Hà Nội, 11/2016

[Type text]


MỤC LỤC

[Type text]


Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng:

Giới hạn điều kiện:
1.
2.

3.
4.
5.
6.
7.

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
Đối tượng điều khiển Bơm và Van
Sai số yêu cầu 2%

Yêu cầu:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

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)

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?
Đánh giá về sai số của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân biện pháp khắc
phục)
YÊU CẦU CHUNG:
Page 3


1.Bìa gồm:
-Tên đề tài
-Danh sách SV trong nhóm
-Tên GV hướng dẫn
2.Đầu quyển có nội dung giao đề tài(Phiếu giao đề tài)- Và hướng dẫn về
yêu cầu chung và Bố cục trình bày
3.Bố cục trình bày theo hướng dẫn sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thiết kế
Chương 2: Nội dung thực hiện
2.1-Yêu cầu của đề tài
2.2-Các hướng giải quyết
2.3-Lý do lựa chọn cho thiết kế
2.4-Tính chọn thiết kế
Chương 3: Kết luận
3.1-Các kết quả đạt được
3.2-Các hạn chế khi thực hiện
3.3-Các biện pháp khắc phục
Chương 4: Bài dịch tài liệu cảm biến
4.1- Bản tài liệu lý thuyết
4.2- Bản tài liệu sử dụng cảm biến

Page 4

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển và bùng nổ mạnh mẽ của khoa học công
nghệ,cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với
những trang thiết bị hiện đại, phục vụ công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa
đất nước.Với sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện đã góp phần không nhỏ
trong sự nghiệp xây dựng và phát triển của đất nước. Trong đó bộ môn đo lường
& điều khiển phát triển mạnh mẽ dựa trên những tiến bộ của công nghệ cảm
biến có bộ xử lý và điều khiển được kế hợp với với máy tính điện tử. Từ những
thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính
ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể
biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp
phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người.
Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn
“Đo lường và cảm biến” chúng em sau một thời gian học tập được các thầy , cô
hết sức nhiệt tình giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành,chúng em đã “Tìm
hiểu, phân tích và xây dựng hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng”.
Cùng với sự nỗ lực của cả nhóm nhưng do thời gian, kiến thức và kinh
nghiệm của chúng em còn có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Chúng em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của cô và các bạn
nhằm đóng góp và phát triển đề tài.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Page 5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ

I.Khái niệm lưu lượng và đo lưu lượng
1. Khái niệm
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 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:

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.
- 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.

Page 6


Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi

điện thích hợp.
II– Tổng quan công nghệ và ứng dụng hệ thống đo và điều khiển lưu lượng
chất lỏng.
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ,
nhu cầu của con người đặt ra ngày càng cao. Để đánh giá được chất lượng sản
phẩm thì không thể thiếu phương pháp sản xuất đo lường. Vì vậy dụng cụ đo
lường là một trong những công cụ lao động tạo ra chất lượng cao và tạo ra các
sản phẩm tốt.
Một trong những dụng cụ đo đó là thiết bị đo lưu lượng. Đo lưu lượng có tầm
quan trọng đặc biệt trong công nghiệp như khi cần khống chế lượng chất lỏng
tham gia vào quá trình ở lò phản ứng hóa học, nhà máy sản xuất xi măng, động
cơ đốt…
Về công nghệ:
Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng các cảm biến, để điều
khiển hệ thống sao cho hệ thống hoạt động chính xác, hiệu quả. Hệ thống gồm:
-Bơm: Dùng để bơm chất lỏng vào bồn chứa.
- Van: Dùng để điều khiển rót chất lỏng từ bồn chứa ra ngoài.
- Bể chứa: Chứa chất lỏng cần rót.
- Thiết bị đo lưu lượng: Dùng để đo lưu lượng chất lỏng.
- Hai nút khởi động và dừng hệ thống: Start và Stop.
1.

Về ứng dụng:
Hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trong
thực tế như:
- Đo mức xăng dầu trong khai thác dầu khí.
- Khống chế lượng chất lỏng tham gia vào quá trình phản ứng trong thí
nghiệm và công nghiệp.
- Đo và điều khiển lượng nước trông ngành thủy điện.
- Đo và điều khiển lưu lượng nước tiêu thụ trong sinh hoạt.

2.

Tùy theo nhu cầu sử dụng khác nhau để đo và điều khiển lưu lượng khác
nhau sao cho phù hợp với mục đích sử dụng.

Page 7


CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
I - Yêu cầu của đề tài.
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 (giới hạn, nguyên nhân biện pháp khắc
phục).
II - Các hướng giải quyết.
Đối với hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng chúng em sử dụng cảm
biến đo lưu lượng để điều khiển lưu lượng nước đưa trong bồn chứa, cảm biến
mức lưu lượng để đo mức nước trong bồn để điều khiển bơm và van.
1.

Mục đích và các phương pháp đo:

-

Mục đích: đo và phát hiện mức chất lưu để xác định mức độ và khối
lượng chất lưu có trong bồn chứa.Có hai dạng đo là đo liên tục và xác
định theo ngưỡng .Khi đo liên tục thì biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo
cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bồn chứa.Khi xác định theo
ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân chobiết thông tin về tình
trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không.

-

Phương pháp đo: Hiện nay có nhiều phương pháp đo mức như chênh áp,
phao nổi, độ dẫn điện, đo lực căng, siêu âm…

•

•

Chênh áp: thông dụng, đo liên tục, giá hợp lý, dễ lắp đặt. Dễ bị ảnh
hưởng bởi tỷ trọng của vật liệu, không phù hợp khi đo các chất lỏng có
dạng hột, khoảng đo nhỏ rất khó sử dụng, đặc biệt lưu ý đến sự ăn mòn
của hoá chất.
Phao nổi: Phương pháp này không giới hạn về mức cao của bồn, độ
chính xác không cao, phí đầu tư thấp nếu không có phần hiển thị từ
Page 8


•

•

xa, giới hạn về mức áp suất làm việc. Cho kết quả đo liên tục và đo

điểm. Khi đo điểm có thể đo được cả mặt cách ly. Phương pháp này
không phù hợp với chất lỏng xệt và hột vì nó ảnh hưởng đến độ chính
xác.
Siêu âm: Kỹ thuật đo liên tục không tiếp xúc, không có phần tử dịch
chuyển. Phương pháp này nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác.
Ảnh hưởng bởi hơi nước, bọt khí, dải nhiệt độ và áp suất làm việc
không cao cũng như cấu trúc bên trong bồn bể. Không thể hoạt động
trong môi trường chân không.
Độ dẫn điện: Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản hơn các
phương pháp trên, giá rẻ, không có bộ phận di chuyển, đo điểm, dùng
cho chất lỏng dẫn điện, dễ bị ảnh hưởng bởi lớp vật liệu bám dính
trên điện cực.

2. 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 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 trên
hình 2.1.
Công tơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp với
nhau (hình 2.1a). Dưới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng (2) quay và
truyền chuyển động tới bánh răng (1) (hình 2.1b) 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 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 V 0 (bằng V1 hoặc V2).
Trục của một trong hai bánh răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài công tơ.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tích

Page 9


Thể tích chất lưu chảy qua côngtơ 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.
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.

Page 10

Hình 2.2: Công tơ khí kiểu quay
Với:
1- Vỏ;
2, 4,7&8- Cánh
3- Tangquay
5- Con lăn
6- Cam
Để đo lưu lượng dòng khí người ta sử dụng công tơ khí kiểu quay. Công tơ
(hình 2.2) 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 2.3: 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).

Page 11


Hình 2.3: 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 t1 đến t2 sẽ nhận được thể tích chất lỏng chảy qua công tơ:

Hay:
Với
Page 12


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.
Để đo lưu lượng nhỏ người ta dùng công tơ tốc độ kiểu tiếp tuyến có sơ đồ
cấu tạo như hình 2.4.
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 2.4: 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 3-20m3/giờ, cấp chính xác 2-3.
* 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 2.5 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:
p1’, p2’ - áp suất tĩnh tại tiết diện A-A và B-B.
ρ - tỉ trọng chất lưu.
Page 13


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 .

Hình 2.5: Phân bố vân tốc và áp suấtcủa 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 A-A và B-B,
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 F 0 = 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:
Page 14


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 2.6a), giclơ hình trụ (hình
2.6b), giclơ cong (hình 2.6c) ... 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 2.6: Cấu tạo màng ngăn lỗ thu hẹp đặc biệt
dùng để đo lưu lượng dòng chảy chất lưu có số Reynol nhỏ
*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 2.7).
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.

Page 15


Hình 2.7: 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;
- độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng;

* Phương pháp siêu âm.
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:

Page 16


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.Một số cảm biến đo mức chất lưu
* Phương pháp thủy tĩnh
Hình 2.8: Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh

Page 17


a) Dùng phao cầu

b) Dùng phao trụ

c) Dùng cảm biến áp suất vi sai

-

Trong sơ đồ hình 2.8a, 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 2.8b, 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:

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 2.8c, 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:

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
Page 18


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:
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 2.9 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng.

(a) Cảm biến hai điện cực
(b) Cảm biến một điện cực
(c) Cảm biến phát hiện mức
Sơ đồ cảm biến hình 2.9a 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 các điện cực). Dòng điện chạy
qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm
trong chất lỏng.
Sơ đồ cảm biến hình 2.9b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình
chứa bằng kim loại.
Sơ đồ cảm biến hình 2.9c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn
đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi
điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng. Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực,
dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ.

Page 19


Cảm biến tụ điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ
nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành
bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại. Chất điện môi giữa hai điện cực
chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất
lỏng. Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện
dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa. Điều kiện để áp dụng
phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số
điện môi của không khí (thường là gấp đôi).
Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một
điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện

môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai.

* 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 (hình 2.10a), 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.

Page 20


Ở chế độ đo mức liên tục (hình 2.10b), 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 2.10: 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

III. Lí do lựa chọn cho thiết kế.
1. Lựa chọn cảm biến lưu lượng
Việc lựa chọn dụng cụ không thích hợp giải thích đến 90% các vấn đề thường
mắc phải với các máy đo lưu lượng. Yêu cầu quan trọng nhất trong việc lựa
chọn mợt cảm biến là sự hiểu biết một cách chính xác những gì mà dụng cụ đó
phải thực hiện. Dưới đây là những câu hỏi quan trọng cần phải được đặt ra trong
suốt quá trình lựa chọn cảm biến:
-

Có phải phép đo áp dụng để điều khiển một quá trình công nghệ mà mối
quan tâm chủ yếu là khả năng lặp lại repeatability, hay là nhằm lí giải

Page 21


-

-

accounting hoặc khảo sát sự chuyền chuyển custody transfer, khi mà độ
chính xác cao mới là quan trọng?
Chỉ thị kết quả là tại chỗ hay liệu có cần tín hiệu từ xa remote không?
Nếu đòi hỏi phải có đầu ra từ xa thì nó phải là một tín hiệu tỷ lệ hay là
một tín hiệu đong mở tiếp điểm để kích hoạt hoặc ngưng dụng cụ khác?
Chất lỏng cần đo là chất sạch, chất dẻo dính sền sệt, hay là chất hồ
cement, bùn hoặc phân bón dạng sệt?

Chất lỏng cần đo liệu có dẫn điện?
Đặc tính trọng lượng hay mật độ đặc trưng của chất lỏng cần đo là gì?
Phạm vi (độ lớn) của lưu lượng liên quan đến ứng dụng này là thế nào?
Nhiệt độ và áp suất vận hành của quá trình như thế nào?
Liệu có phải tính đến những chỉ số về độ chính xác, phạm vi độ lớn, độ
tuyến tính , tính lặp lại, và những yêu cầu về đường ống dẫn?

=>Đối với hệ thống này, nhóm chúng em chọn cảm biến lưu lượng loại siêu âm
vì nó:
- đo chất lỏng không có tính ăn mòn
- kết quả phép đo độc lập với hình dạng dòng chảy, không có thành phần lắp đặt
trong ống
- Không là giảm áp lực dòng chảy qua van
- Độ chính xác cao, sai số không quá lớn.
2. Lựa chọn cảm biến mức.
Khi lựa chọn một phương pháp cho một ứng dụng cụ thể nào đó, phải chú ý
dến nhiều yếu tố ngoài giá thành ban đầu. Nhưng yếu tố quan trọng nhất về ứng
dụng đo mức mà các nhà sản xuất cảm biến cần thiết là:
-

-

Tên các đặc trưng của vật liệu cần đo, liệu có phải là chất rắn hay
lỏng,dạng sệt, dạng bột hay dạng hạt. Hằng số điện môi k là đặc tính quan
trọng đặc biệt, cũng như mật độ, độ nhớt, độ dẫn nhiệt, và tính tương
thích (dầu mỡ, nước…)
Thông tin quá trình, như áp suất và nhiệt độ, mức dộ chảy rối, vật liệu bể
hoặc bình chứa.
Những yêu cầu về công suất
Ứng dụng chủ yếu của bình chứa có chứa vật liệu cần đo, (tích trữ, tách

lọc nước, hầm chứa, …), và kích cỡ, hình dạng của nó, vị trí của bất kỳ
vật ngăn nào (nếu có).

=> Đối với hệ thống này nhóm chúng em chọn cảm biến mức áp suất vi sai
dạng màng vì nó:
-

Giá thành rẻ
Dễ điều chỉnh tín hiệu
Đo chất lỏng không có tính ăn mòn
Page 22


IV. Tính chọn thiết bị.
1. Thiết kế lắp đặt
Đối với hệ thống đo và điều khiển lưu lượng chất lỏng này, sử dụng 2 cảm biến:
1 cảm biến lưu lượng và 1 cảm biến mức:
-

-

-

2.

Cảm biến lưu lượng: (cảm biến FDT-81)
+ Vị trí: Đặt ở trên đường ống dẫn nước từ máy bơm vào bể chứa.
+ Nhiệm vụ: Để đo thể tích nước đã chảy qua ống dẫn trong một khoảng
thời gian.
Cảm biến mức: (cảm biến áp suất vi sai có màng keller 26Y)

+ Vị trí: Đặt ở vị trí sát đáy bể nước
+ Nhiệm vụ: Đo mức nước có trong bể, xử lí và truyền tín hiệu để điều
khiển động cơ đóng hoặc mở
Các nút Start, Stop để khởi động và dừng toàn bộ hệ thống.

Hình vẽ sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống.

Page 23


-

Khi ta nhấn nút (on/off) mạch được cấp nguồn. Giả sử nước trong bình đang
ở mức dưới, lúc này Một mặt của màng cảm biến áp suất vi sai dạng màng
chịu áp suất chất lưu gây ra :
p= P0+ρgh
trong đó :
g- là gia tốc trọng trường
h- là chiều cao mực chất lỏng(h=2m chiều cao của bể chứa chất lỏng)
ρ- khối lượng riêng chất lưu

-

-

-

Mặt còn lại chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh bình chứa.
Độ chênh lệch áp suất p-p0 sinh ra lực tác dụng lên màng cảm biến làm nó
biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bể

chứa, được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện, tín hiệu
làm tiếp điếm thường mở K1 (của cuộn dây K 1) đóng lại nhằm duy trì dòng
điện cho cuộn dây K1. Tiếp điểm thường đóng K2vẫn được duy trì. Bơm bắt
đầu hoạt động bơm nước lên bế.
Khi nước được bơm lên bể, mực nước sẽ dâng lên đến mức trên làm thay
đổi áp suất tác động lên các mặt của cảm biến, sự chênh lệch áp suất làm
biến dạng màng cảm biến. Biến dạng này chuyển đổi thành tín hiệu nhờ các
bộ biến đổi sẽ điều khiển điện làm tiếp điểm thường đóng K2 (của cuộn dây
K2) mở ra làm ngắt mạch cuộn dây K1. Bơm ngừng hoạt động.
Sau một thời gian sử dụng, nước trong bể hạ xuống tới mức dưới của bể làm
thay đổi chênh lệch áp suất đặt vào các mặt cảm biến áp suất vi sai, cảm
biến truyền tín hiệu 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, cảm biến đo lưu lượng 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)
Page 24


-

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.

3. Tính chọn thiết bị
A.Tính chọn cảm biến lưu lượng
Với chất lưu là nước, ống kim loại cứng đường kính 18cm nhóm em lựa chọn
sử dụng cảm biến FDT-81(hình 4.1)cho phép hiển thị trực tiếp lưu lượng chất

lỏng qua đường ống vào bể trên màn hình của cảm biến. Sử dụng cảm biến đo
lưu lượng chất lỏng loại này tuy giá thành đắt và dòng chảy cần được điền đầy
ống, không đo được loại chất lỏng có tính dẫn diện và ăn mòn hóa học ,nhưng
cảm biến loại này thường được lắp đặt bên ngoài đường ống dẫn chất lỏng nên
rất dễ bảo trì và khi sử dụng cảm biến loại này cho kết quả đo chính xác với sai
số không quá lớn, điểm nổi bật của cảm biến 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 dòng chảy qua van.
.Dưới đây là một số thông số kỹ thuật của cảm biến FDT-81.
•

Nhiệt độ làm việc: 200c -800c

•

Đơn vị đo

: m3 , lít

•

Dải đo

: 1500 lít/h = 0,42 lít/s

•

Đường kính ống từ 100 đến 1000 mm

•

Đầu ra

•

Tiêu chuẩn Vật liệu cảm biến: CPVC, Ultem ® và Nylon

•

Màn hình hiển thị: 128×64 điểm đồ họa LED,LCD

•

Sai số

: Analog 4-20mA, tối đa 2 mô- đun

: ± 0,5%

Hình 4.1: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:

Page 25