ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA: các phương pháp và dụng đo lưu lượng

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TS. LÊ NGỌC TRÂN
Email:



Định nghĩa về lưu lượng
Là lượng lưu chất (lỏng, rắn, khí) chảy qua tiết diện ngang của
ống dẫn trong một đơn vị thời gian.
 Đơn vị đo lưu lượng:
Lưu lượng thể tích: Q = dV/dt (m3/s; m3/h)
Lưu lượng khối: G = dm/dt (kg/s; kg/h)
Vận tốc dòng chảy: V=dl/dt (ft/min)
Lưu lượng thể tích = Vận tốc x diện tích tiết diện ngang của đường ống

 Mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc:
Tổng năng dòng chất lỏng = Áp suất + Vận tốc + Độ cao
Ví dụ:
 Tách nước nằm trên đỉnh tòa nhà.
 Dòng chất lỏng chảy qua một đường ống thay đổi với lưu lượng thể tích cho
trước.


Độ nhớt, khối lượng riêng và ma sát ảnh hưởng đến lưu lượng

 Độ nhớt là ma sát nội trong bản thân vật chất, nó có ảnh
hưởng đến sự chuyển động của vật chất khi chảy trong đường
ống. Độ nhớt càng cao thì lực cản dòng chảy càng lớn.

 Khối lượng riêng là khối lượng trên một đơn vị thể tích vật
liệu. Chất lỏng nặng hơn sẽ khó đẩy hơn và sẽ chảy chậm hơn
khi cùng chịu một lực tác dụng (áp suất đặt lên tiết diện ngang
của đường ống) so với chất lỏng nhẹ hơn.
 Ma sát cũng là sự cản trở đối với dòng chảy của vật chất do sự
tiếp xúc của dòng chảy với thành ống hoặc do sự tắc nghẽn.
Ống càng nhám hoặc số lượng các đoạn khúc khuỷu, các van,
các đầu nối càng nhiều thì ma sát càng lớn.


Các dạng dòng chảy

Hầu hết các thiết
kế cảm biến lưu
lượng đều giả sử
là dòng chảy hỗn
loạn đồng nhất
để đo lưu lượng
thể tích.


Đo lưu lượng bằng phương pháp đo chênh áp
 Kiểu cảm biến lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất là dựa
vào phép đo áp suất rơi trên một đoạn ống thu hẹp.
 Các ống “venturi”, các tấm “orifice” và các “nozzle” là những ví
dụ về các thiết bị giảm áp thường được đặt trong đường ống
quá trình để đo lưu lượng.
 Đo lưu lượng bằng ống venturi

Tốc độ thấp

Tốc độ cao


Đo lưu lượng bằng phương pháp đo chênh áp
Công thức Bernoli

G 

Q 

d 2
4

2  ( p1  p2 )

d 2

2

4



( p1  p2 )

Trong đó: α-hệ số; d-đường kính lỗ
thu hẹp; ρ-mật độ dòng chảy

 Đo lưu lượng bằng tấm orifice

Trong đó:
C- Hằng số;
F- Diện tích tiết diện của ống, m2.


Đo lưu lượng bằng phương pháp đo chênh áp
 Đo lưu lượng bằng tấm orifice


Đo lưu lượng dựa vào tốc độ xoáy của dòng chất lỏng
 Nguyên lý: Khi một dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào một dốc đứng
đặc vuông góc với dòng chảy sẽ tạo ra các vùng xoáy. Tốc độ tạo xoáy trong
dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng tăng.

Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có 3 phần:
 Thân gián đoạn dòng chảy – có chức năng tạo ra các kiểu xoáy định trước tùy thuộc
vào hình dáng thân.
 Một cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các
xung điện.
 Một bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức năng gởi tín hiệu đã
được hiệu chuẩn đến các thành phần khác của vòng điều khiển.


Lưu lượng kế Turbin
1-Cánh tua bin;
2,4-Ổ đỡ;
3-Giá đỡ tua bin
5-Lõi thép;
6-Nam châm

7-Cuộn dây cảm ứng

Nguyên lý: Dựa vào số vòng quay của tua bin trong
một đơn vị thời gian tỉ lệ với tốc độ vòng chảy: n=k.v
n- số vòng quay của tua bin; k-hệ số;
v-tốc độ dòng chảy qua tiết diện của ống dẫn
S- tiết diện dòng chảy;
k- hệ số phụ thuộc vào đặc tính và cấu tạo của cảm biến
Lưu lượng thể tích: Q=v.S


Lưu lượng kế kiểu từ trường
Nguyên lý:
 khi vật dẫn điện đi qua từ trường, một điện áp sẽ được tạo ra. Khi sử dụng
máy đo lưu lượng kiểu từ trường, vật liệu dẫn điện là chất lỏng hay chất
dạng vữa. Dòng chảy càng nhanh, điện áp tạo ra càng lớn.
 Dựa trên định luật Faraday về cảm ứng điện từ: một dây dẫn mang điện di
chuyển trong một từ trường sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng E, điện thế này
tỷ lệ với vận tốc di chuyển của dây dẫn điện và cường độ của từ trường.

Q=vA

E=cBDv
E D
Q
c.B 4

D 2
A
4

E: điện áp cảm ứng (Volt)
c: Hệ số - có giá trị phụ thuộc vào đơn vị
sử dụng (trong hệ SI, c = 10)
B: Cảm ứng điện từ của dòng từ (tesla)
D: Chiều dài dây dẫn (m)
v: Vận tốc di chuyển của dây dẫn (m/s)
A: tiết diện ống


Lưu lượng kế kiểu từ trường
Hai cuộn dây từ,
được đặt đối diện
nhau trong một ống
cách ly, tạo ra một từ
trường qua đường
kính ống. Điện áp
tạo ra khi vật liệu
dẫn điện chạy qua
ống được đo bởi các
điện cực cảm biến
lắp trên thành ống.
Các
cảm
biến
chuyển đổi điện áp
này thành tín hiệu
điện ngõ ra tỷ lệ
thuận với lưu lượng
thể tích.

Lưu lượng kế kiểu từ trường
Ví dụ: lưu lượng kế cảm ứng điện từ ADMAG AE của hãng Yokogawa - Nhật Bản:


Lưu lượng kế kiểu nhiệt
 Được sử dụng để đo lưu lượng của các khí sạch và hiếm khi được sử dụng với các
chất lỏng.
 Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đặt một lượng nhiệt nhỏ vào dòng quá trình và sử
dụng độ thay đổi nhiệt độ và giá trị nhiệt đặc trưng của vật liệu quá trình để tính toán
lưu lượng khối lượng. Nhiệt đặc trưng là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng
nhiệt độ của mỗi đơn vị khối lượng vật chất lên 10C


Lưu lượng kế kiểu nhiệt
 Một đầu đốt nóng làm giá trị điện trở
Sensor tăng và mạch cầu là cân
bằng
 Khi có dòng lưu chất, nhiệt độ trên
sensor sẽ giảm nên mạch cầu mất
cân bằng.
 Đo điện áp ngõ ra sẽ xác định được
tốc độ của dòng chảy.

Q = dV/dt = A.dx/dt =A.v
A: tiết diện
V: vận tốc dòng chảy

Lưu lượng kế kiểu siêu âm
Dựa trên cơ sở sự thay đổi vận tốc lan truyền của âm thanh trong
chất lỏng chảy so với vận tốc lan truyền âm thanh trong chất lỏng
tĩnh (vận tốc tăng khi các siêu âm lan truyền theo chiều dòng
chảy, giảm khi lan truyền theo chiều ngược lại).
Thiết bị bao gồm 2 bộ phát - thu siêu âm bằng cách mỗi đầu dò nhận các sóng phát ra
từ các đầu dò khác, hoặc các sóng truyền qua chất lỏng đang lưu chuyển theo 2 chiều.


Lưu lượng kế kiểu siêu âm
L: khoảng cách giữa 2 cảm biến siêu
âm
v: vận tốc dịch chuyển của chất lỏng

Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến
2 thu sóng.
L= v.cos.
Thời gian sóng siêu âm :
lưu lượng kế siêu âm SITRAN F
US của hãng Siemens - Đức:

Tốc độ dòng chảy tính bằng công thức: