Tài liệu Chương 9: Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu doc

- 142 -
Chơng IX
Cảm biến đo lu lợng Và MứC CHấT lu
9.1. Cảm biến đo lu lợng
9.1.1. Lu lợng và đơn vị đo
Lu lợng chất lu là lợng chất lu chảy qua tiết diện ngang của ống trong
một đơn vị thời gian. Tuỳ theo đơn vị tính lợng chất lu (theo thể tích hoặc khối
lợng) ngời ta phân biệt:
- Lu lợng thể tích (Q) tính bằng m
3
/s, m
3
/giờ ...
- Lu lợng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ ...
Lu lợng trung bình trong khoảng thời gian

t = t
2
- t
1
xác định bởi biểu thức:

t
V
Q
tb


=
hoặc

t
m
G
tb


=

(9.1)

Trong đó V, m là thể tích và khối lợng chất lu chảy qua ống trong thời khoảng
gian khảo sát.
Lu lợng tức thời xác định theo công thức:
dt
dV
Q =
hoặc
dt
dm
G =

(9.2)

Để đo lu lợng ngời ta dùng các lu lợng kế. Tuỳ thuộc vào tính chất chất lu,
yêu cầu công nghệ, ngời ta sử dụng các lu lợng kế khác nhau. Nguyên lý hoạt
động của các lu lợng kế dựa trên cơ sở:
- Đếm trực tiếp thể tích chất lu chảy qua công tơ trong một khoảng thời
gian xác định

t.

- Đo vận tốc chất lu chảy qua công tơ khi lu lợng là hàm của vận tốc.
- Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lu lợng 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.
9.1.2. Công tơ thể tích
Công tơ thể tích đo thể tích chất lu chảy qua công tơ bằng các đếm trực tiếp
lợng 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 9.1.

- 143 -
Côngtơ gồm hai bánh răng hình ôvan (1) và (2) truyền động ăn khớp với nhau
(hình 9.1a). Dới tác động của dòng chất lỏng, bánh răng (2) quay và truyền chuyển
động tới bánh răng (1) (hình 9.1b) cho đến lúc bánh răng (2) ở vị trí thẳng đứng,
bánh răng (1) nằm ngang. Chất lỏng trong thể tích V
1
đợc đẩy sang cửa ra. Sau đó
bánh răng (1) quay và quá trình tơng tự lặp lại, thể tích chất lỏng trong buồng V
2

đợc đẩy sang cửa ra. Trong một vòng quay của côngtơ thể tích chất lỏng qua
côngtơ bằng bốn lần thể tích V
0
(bằng V
1
hoặc V
2
). Trục của một trong hai bánh
răng liên kết với cơ cấu đếm đặt ngoài côngtơ.

Thể tích chất lu chảy qua côngtơ trong thời gian t = t
2
- t
1
tỉ lệ với số vòng
quay xác định bởi công thức:

()
12v
NNqV =
(9.3)
Trong đó:
q
V
- thể tích chất lu chảy qua công tơ ứng với một vòng quay.
N
1
, N
2
- tổng số vòng quay của công tơ tại thời điểm t
1

và t
2
.
Thông thờng thể tích chất lu chảy qua công tơ đợc biểu diễn dới dạng:

()
1c2cc
NNqV =
(9.4)
q
c
- hệ số công tơ (thể tích chất lu chảy qua công tơ ứng với một đơn vị chỉ thị
trên công tơ).
N
c1
, N
c2
- số trên chỉ thị công tơ tại thời điểm t
1
và t
2
.
Lu lợng trung bình:

( )
12
12v
tb
tt
NNq

t
V
Q


=


= (9.5)
Lu lợng tức thời:
V
1

V
2

2
1
Hình 9.1 Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tích
a)
b)
c)

- 144 -

nq
dt
dN
q
dt

dV
Q
vv
=== (9.6)
Với
dt
dN
n =
là tốc độ quay trên trục công tơ.
Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện ngời ta dùng một trong
ba cách dới 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 đợc 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 nhng có nhợc điểm là chất lỏng đo phải đợc lọc tốt và
gây ồn khi làm việc.

động quay

của tang đợc truyền đến cơ cấu đếm đặt bên ngoài vỏ công tơ.
Công tơ khí kiểu quay có thể đo lu lợng đến 100 - 300 m
3
/giờ, cấp chính xác
0,25; 0,5.
9.1.3. Công tơ tốc độ
Hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu tạo của một công tơ tốc độ tuabin hớng trục.
Bộ phận chính của công tơ là một tuabin hớng trục nhỏ (2) đặt theo chiều
chuyển động của dòng chảy. Trớc 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).
Để đo lu lợng dòng khí ngời ta sử
dụng công tơ khí kiểu quay. Công tơ (hình
9.2) gồm vỏ hình trụ (1), các cánh (2,4,7,8),
tan
g quay (3) và cam (6). Khi cánh (4) ở vị
trí nh hình vẽ , á
p suất chất khí tác động
lên cánh làm cho tang (3) quay. Trong quá
trình quay các cánh luôn tiế
p 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
Hình 9.2 Công tơ khí kiểu quay

1) Vỏ 2, 4,7&8) Cánh 3) Tang
quay 5) Con lăn 6) Cam
1
2
3
4
5
7
8
6

- 145 -










Tốc độ quay của công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy:

kWn =

Trong đó:
k - hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo công tơ.
W- tốc độ dòng chảy.
Lu lợng thể tích chất lu chảy qua công tơ:

n
k
F
WFQ ==
(9.7)
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 t
1
đến t
2
sẽ nhận đợc thể tích chất lỏng chảy qua công tơ:

ndt
k
F
dQdtdV ==



=
2
1
t
t
ndt
k

F
V

Hay:

()
12
NN
k
F
V =
(9.8)
Với

=
2
1
t
t
12
ndt
k
F
NN

Hình 9.3 Sơ đồ cấu tạo công tơ tốc độ tuabin hớng trục
1) Bộ chỉnh dòng chảy 2) Tuabin
3) Bộ truyền bánh răng-trục vít 4) Thiết bị đếm
1
2

3
4

- 146 -
Công tơ tốc độ tuabin hớng trục với đờng kính tuabin từ 50 - 300 mm có
phạm vi đo từ 50 - 300 m
3
/giờ, cấp chính xác 1; 1,5; 2.
Để đo lu lợng nhỏ ngời ta dùng công tơ tốc độ kiểu tiếp tuyến có sơ đồ cấu
tạo nh hình 9.4.
Tuabin công tơ (1) đặt trên trục quay vuông góc với dòng chảy. Chất lu qua
màng lọc (2) qua ống dẫn (3) vào công tơ theo hớng tiếp tuyến với tuabin làm
quay tuabin. Cơ cấu đếm liên kết với trục tuabin để đa tín hiệu đến mạch đo.








Công tơ kiểu tiếp tuyến với đờng kính tuabin từ 15 - 40 mm có phạm vi đo từ
3 - 20 m
3
/giờ, cấp chính xác 2; 3.
9.1.4. Lu lợng kế màng chắn
a) 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 9.5 trình bày sơ đồ nguyên
lý đo lu lợng dùng màng ngăn tiêu chuẩn.

Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc chất lu tăng lên và đạt cực
đại (W
2
) tại tiết diện B-B, do đó tạo ra sự chênh áp trớc và sau lỗ thu hẹp. Sử dụng
một áp kế vi sai đo độ chênh áp này có thể xác định đợc lu lợng 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 đợc xác định theo biểu thức:

()
21
22
2
pp
2
m
1
W

à
=

Trong đó:
p
1
, p
2
- áp suất tĩnh tại tiết diện A-A và B-B.
- tỉ trọng chất lu.
Hình 9.4 Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến
1) Tuabin 2) Màng lọc 3)

ố
ng dẫn
1
2
3