ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA: các phương pháp và dụng cụ đo mức

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TS. LÊ NGỌC TRÂN
Email:



Khái niệm về đo mức
Level Sensor sử dụng để đo mức chất lỏng, chất rắn dạng bột
hoặc để xác định khi nào vật liệu đạt đến mức giới hạn hoặc dải
đo đã được thiết lập trước.
 Mục đích đo mức:
 Đảm bảo mức được duy trì trong giới hạn hoạt động lý tưởng để đạt hiệu
suất cao nhất.
 Kích hoạt báo động để cảnh báo mức vận hành không an toàn và đóng van.
 Khởi động bơm và mở van khi mức trong bồn giảm đến mức thấp đã được
thiết lập trước.

 Các phương pháp đo mức
 Áp suất chênh lệch
 Sóng siêu âm và rada
 Bọt khí
 Những thiết bị một điểm khác
 Phao
 Thế chỗ
 Điện dung
 Dẫn điện

Đo mức theo phương pháp chênh áp
Áp suất = trọng lượng riêng x chiều cao (p = .h)
P = 4.33 psi (hoặc 4.33 lbs/in2)
 = 62.4 lbs/ft3 hoặc 0.0361 lbs/in3.
h = 4.33 lbs/in2  0.0361 lbs/in3 = 120 in.


Đo mứctheo phương pháp chênh áp
Xác định mức dựa
trên áp suất


Đo mức theo phương pháp chênh áp
 Để xác định mức nước thực tế
phải lấy áp suất đo được ở đáy
bình trừ đi áp suất của Nitơ áp
lên bề mặt cột nước, việc này
phải dùng đến một thiết bị đo
chênh lệch áp suất.
 Áp suất chênh lệch giữa đáy và
đỉnh bồn là:
P= 24.33 psi - 20 psi = 4.33 psi.


Đo mức bằng phao và cáp

Phao nổi trên bề mặt chất lỏng và được nối với một sợi cáp dẫn đến
một bộ chỉ thị hoặc một cơ cấu cảm biến vị trí. Phao được gắn với
một quả cân bên ngoài bồn bằng một sợi cáp vắt qua một bộ ròng
rọc. Khi phao chuyển động lên xuống theo sự thay đổi mức chất

lỏng, vị trí của quả cân cũng thay đổi theo sẽ chỉ thị mức trên thang
đo đã được chia độ.

Với hệ thống này, để cung cấp tín hiệu ra đến
vòng điều khiển, nó phải cần đến một mạch điện
tử để cảm nhận sự di chuyển của cáp và chuyển
đổi thành tín hiệu mức. Mạch điện tử và một
động cơ giữ cho độ căng của cáp giống như quả
cân mà không nhấc phao lên khỏi bề mặt chất
lỏng.


Đo mức bằng phao từ

 Nguyên lý: đặt một thanh nam
châm ở một phía của tấm bìa
cứng, một chiếc đinh được đặt ở
phía còn lại của tấm bìa. Khi bạn
di chuyển thanh nam châm,
chiếc đinh sẽ di chuyển theo.


Đo mức bằng phao từ
Đầu cảm biến ở đỉnh của
bồn,bộ nhận từ trường bên
trong ống di chuyển lên xuống
cùng với phao. Vị trí cáp được
cảm nhận bởi bộ điều khiển
cáp và cảm biến vị trí của bộ
nhận từ trường mà bộ này sẽ

cung cấp tín hiệu ra tỷ lệ với
mức chất lỏng trong bồn.


Một số dạng phao từ


Kiểu phao với đòn bẩy

Các cảm biến phao mà trong đó sử dụng một đòn bẩy gắn với
phao thường được lắp đặt trên thành bồn hoặc được đặt trong
hộp kín gắn trực tiếp trên thành bồn.


Kiểu phao với đòn bẩy
 Phao là một quả cầu kim
loại rỗng (đồng, thép
không rỉ, nhôm và nickel là
một số vật liệu thường
được sử dụng).
 Phao nằm trên bề mặt chất
lỏng với một phần chìm.
Khi nó đi lên xuống theo
mức chất lỏng, đòn bẩy sẽ
di chuyển.
 Cảm biến kiểu phao và đòn
bẩy loại này có thể xác
định mức trong một dải rất
hẹp.

Kiểu phao với đòn bẩy

cặp cảm biến kiểu phao
và đòn bẩy được sử
dụng để tác động các
chuyển mạch tại điểm
đặt cao và điểm đặt thấp.


Phao và chuyển mạch
Phao chứa chuyển mạch thủy ngân
và được gắn vào bồn bằng một sợi
cáp mềm có thể được sử dụng để
xác định mức khi mức trong bình
chứa đạt đến điểm mà tại đó
chuyển mạch được chuyển sang
đóng hay ngắt. Kiểu cảm biến này
không thể dùng để đo mức liên tục,
nhưng là một cách đơn giản để tín
hiệu điện khi đạt đến một mức cao
hay mức thấp nào đấy


Phao và chuyển mạch
Thủy ngân làm đóng hoặc ngắt
chuyển mạch khi phao di chuyển
lên và xuống theo mức chất lỏng
trong bồn. Khi thủy ngân lấp đầy
khe hở giữa hai vật dẫn, chuyển

mạch đóng và có thể dẫn điện.
Chuyển mạch đóng hoặc mở khi
phao xoay lên hoặc xuống từ vị trí
ngang. Khi phao nằm ngang, vị trí
của chuyển mạch không thay đổi
so với trạng thái của nó đã được
thiết lập khi nó ở vị trí nằm ngang
bình thường. Tại một mức đã biết
(cao hoặc thấp), cáp bắt đầu kéo
phao ra khỏi vị trí nằm ngang. Cáp
càng dài, dải thay đổi của mức
càng lớn, trong dải này cáp vẫn
nằm ngang.


Ứng dụng phao và chuyển mạch trong hệ thống bơm


Cảm biến kiểu thế chỗ

Tương tự với cảm biến kiểu phao trong đó một quả cân được nối với một đòn bẩy. Cảm biến này
cũng có thể được gắn bên trong một bình chứa hoặc bên trong một hộp gắn trong một bình chứa.
Bộ phận thế chỗ dài hình trụ (không giống như phao) và được đặt chìm trong chất lỏng quá trình.
Bộ phận thế chỗ được gắn với hệ thống đòn bẩy mà nó cho phép đo trọng lượng biểu kiến của bộ
phận thế chỗ khi mức chất lỏng thay đổi.


Cảm biến kiểu thế chỗ

Cảm biến mức kiểu điện dung
 Đầu dò là một bản cực của tụ
điện
 Thành bồn kim loại là một bản
cực còn lại của tụ.
 Điện môi là chất lỏng hoặc chất
rắn quá trình.
 Trong phép đo mức liên tục, giá
trị điện dung sẽ tăng khi mức
của vật liệu cần đo tăng. Cảm
biến nhận ra sự thay đổi về điện
dung khi mức thay đổi và
chuyển đổi nó thành tín hiệu
điện tương ứng để kích hoạt
cảnh báo hoặc chuyển mạch
hoặc đưa đến vòng điều khiển.


Cảm biến mức kiểu điện dung

Cảm biến có hai đầu dò vì khoảng cách từ thành bồn đến đầu
dò sẽ khác nhau theo độ cao, ngõ ra của cảm biến sẽ không
tuyến tính theo sự thay đổi của mức trong bồn nếu thành bồn
được sử dụng như một bản cực của tụ điện. Để đo chính xác,
khoảng cách giữa hai bản cực (hai vật dẫn) của tụ điện phải
luôn giống nhau trên toàn dải đo. Có thể sử dụng một cảm
biến mức với hai đầu dò nếu như thành bình không phải là vật
liệu dẫn điện.

sử dụng một ống kim loại

đứng bao quanh đầu dò và
hoạt động như một điện cực
thứ hai.


Cảm biến kiểu sóng siêu âm và Rada
 Nguyên lý đo: Sử dụng sóng siêu âm và rada phát ra sóng âm thanh
hoặc sóng điện từ trực tiếp tại bề mặt chất lỏng hoặc chất rắn cần đo
mức, cảm biến đo thời gian từ lúc phát tín hiệu đến khi nhận sóng
phản xạ từ bề mặt chất lỏng .
 Sóng âm đi với vận tốc xấp xỉ 1054 feet/second trong không khí và
sóng rada xấp xỉ 186000 miles/second.
 Nếu biết được tốc độ và thời gian truyền của sóng, khoảng cách từ
cảm biến đến bề mặt có thể tính toán được.
V truyền sóng = S x t truyền sóng

Ưu điểm: cảm biến siêu âm và rada không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu
quá trình nên sử dụng trong trường hợp :
 Vật liệu có độ axit và kiềm cao có thể làm hỏng thiết bị đo
 Vật liệu mà bề mặt cần đo mức sần sùi
 Vật liệu nhớt hoặc có độ bám và nó có thể bám vào dụng cụ đo


Đo mức bằng sóng siêu âm

Cảm biến mức bằng sóng siêu âm:
bao gồm một bộ phát và bộ nhận sóng
hoặc xung siêu âm được phát ra từ
một bộ dao động thạch anh đến bề
mặt và được phản xạ ngược lại (thạch

anh). Ví dụ, mất 0.0189 second để
sóng siêu âm đi từ nơi phát (đầu cảm
biến) đến bề mặt cách đó 10 feet và
trở về lại đầu cảm biến. Độ chính xác
của bộ đo mức bằng sóng siêu âm bị
ảnh hưởng bởi bọt, bụi bẩn, và hơi
ngưng tụ. Chúng cũng không phù hợp
lắm để sử dụng trong các bồn nhỏ bởi
vì sóng dội làm sai lệch kết quả đo.


Đo mức bằng sóng Rada
Cảm biến đo mức bằng sóng rada (kiểu
xung và kiểu điều tần liên tục-FMCW.
 Sóng rada có thể được tạo ra bởi một máy
phát và được gởi ra ngoài bằng anten. Thời
gian để sóng rada phản xạ trở về xấp xỉ
bằng một phần triệu so với sóng siêu âm.
 Các cảm biến đo mức bằng sóng rada
không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trọng
lượng riêng, hơi trên bề mặt, bọt, hoặc
nhiệt độ. Chúng có độ chính xác cao và
giá cả vận hành bảo dưỡng thấp.
 Các hệ thống xung hoạt động giống như
các thiết bị siêu âm kiểu xung và đo thời
gian để xung đi từ nơi phát đến bề mặt và
phản xạ ngược lại.
 Các thiết bị FMCW so sánh tín hiệu truyền
đi và tín hiệu nhận về và phân tích bằng
mạch điện tử những thay đổi trong dạng

sóng bị gây ra bởi sự phản xạ trệch hướng
từ bề mặt đến mức cần xác định.


Nguyên lý của một chuyển mạch mức kiểu siêu âm
Cảm biến này phát hiện một
điểm mức đơn bằng cách tiếp
xúc với vật liệu quá trình.
Hai thạch anh áp điện được
gắn đối diện nhau. Khi
không có chất lỏng điền vào
khe hở giữa chúng, tín hiệu
sóng âm mà đã được gởi
bằng một thạch anh tích cực
sẽ không thể được nhận bởi
thạch anh thứ hai. Khi mức
chất lỏng tăng đủ để điền vào
khe hở, tín hiệu được truyền
qua chất lỏng đến thạch anh
đối diện, tích cực nó.


Các loại cảm biến mức một điểm khác
Một kiểu công tắc mức dạng tiếp xúc khác
sử dụng dao động. Thiết bị này hoạt động
như một âm thoa. Áp điện thạch anh được
điều khiển dao động ở tần số tự nhiên của
âm thoa trong không khí sẽ làm cho âm
thoa dao động. Khi mức chất lỏng tăng đến
giữa hai nhánh của âm thoa, sự dao động

của nó chậm lại hoặc dừng hẳn. Mạch điện
tử bên trong cảm biến mức sẽ nhận biết
điều này do âm thoa không còn dao động ở
tần số ban đầu do thạch anh tạo ra, và cho
biết rằng mức chất lỏng đã đạt đến điểm
thiết lập.