Tài liệu Đo lưu lượng chất lỏng và chất khí_chương 17 docx

GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 1
C
C
H
H




N
N
G
G


1
1
7
7
.
.






O
O

L
L


U
U


L
L




N
N
G
G


C
C
H
H


T
T

L
L


N
N
G
G


V
V
À
À


C
C
H
H


T
T


K
K
H

H
Í
Í


(
(
2
2


L
L
T
T
)
)




17.1. C s chung và phân loi các phng pháp đo lu lng.
17.1.1. C s chung v đo lu lng cht lng và cht khí (cht lu):
Cht lu là các môi trng vt cht  dng lng hoc khí tn ti di nhng
điu kin nhit đ, áp sut, th tích đc xác đnh bi các đnh lut nhit đng
hc. Di tác dng ca lc bên ngoài, ví d s chênh lch áp sut, cht lu s
chuyn đng, chuyn đng này đc đc trng bi dòng chy vi các thông s:
vn tc, khi lng riêng, áp sut và nhit đ  các đim khác nhau ca cht lu,
đ nht, đ khuch tán nhit, nhit lng riêng… Thông s thng cn quan tâm
nht ca s chuyn đng này là vn tc và lu lng ca cht lu, khi đó thng

xem các thông s còn li là không đi. Mt trong s các tham s quan trng ca
quá trình công ngh là lu lng các cht chy qua ng dn.
Lu lng vt cht là s lng cht y chy qua tit din ngang ca ng dn
trong mt đn v thi gian. Mun nâng cao cht lng sn phm và hiu qu ca
h thng điu khin t đng các quá trình công ngh cn phi đo đc chính xác
th tích và lu lng các cht. Vic đo lu lng là mt phn thit yu trong mi
quá trình công nghip và trong các ngành công ngh. o lu lng đóng mt vai
trò vô cùng quan trng cng nh vic đo nhit đ, áp sut, mc cht lng…
Trong vic đo lu lng, ta cn phân bit:
- Lu lng đc tính bng th tích trên đn v thi gian:
Q
v
= V/t (m
3
/s)
- Lu lng đc tính bng trng khi trên mt đn v thi gian:
Q
m
= m/t (kg/s)
Khi bit t trng  ca môi trng cn đo thì hai loi lu lng trên đc tính
bng phng trình:
Q
m
= Q
v
.
- Lu lng tc thi: đc tính theo công thc:
dt
dV
Q =

vi V là th tích ca cht lu.
- Lu lng trung bình: đc tính theo công thc:
).(
12
ttVQ
tb
−=
vi )(
12
tt − là khong thi gian đo.
Trong quá trình sn xut ca các ngành công nghip hoá cht, ch bin, đin
nng… lu lng tính bng trng khi cn bit nhng cng khó đo đc hn.
Trong mt h thng khép kín, lu lng tính bng trng khi, lu khi c đnh
trong khi đó lu lng tính bng th tích thay đi theo nhit đ và áp sut.
Môi trng đo khác nhau đc đc trng bng tính cht hoá lý và các yêu cu
công ngh, do đó mà ta có nhiu phng pháp đo lu lng da trên nhng
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 2
nguyên lý khác nhau.  thích ng vi các nhu cu khác nhau trong công nghip,
ngi ta đã phát trin rt nhiu phng pháp đo lu lng cht lng, hi nc,
cht khí…
17.1.2. Phân loi thit b đo lu lng cht lng và cht khí:
Vn tc và lu lng ca cht lu thng đc đo gián tip thông qua nh
hng ca nó đn các đc trng vt lý ca vt trung gian hoc đn hin tng vt
lý trong đó vn tc, lu lng là mt thông s và vt trung gian ni xy ra hin
tng vt lý đó. Vt trung gian có th chính là cht lu hoc mt phn t cu
thành ca cm bin.
- Khi vt trung gian là bn thân cht lu: thì vn tc, lu lng ca nó đc
xác đnh thông qua áp sut đng U
2

/2, qua hiu ng Doppler tác đng bi laze
hoc siêu âm và thi gian truyn qua ca mt đng v phóng x. Trong trng
hp này phi s dng thêm các cm bin thích hp vi các đi lng trung gian
cn đo là áp sut, ánh sáng, siêu âm, tia phóng x.
- Khi vt trung gian là mt phn t ca cm bin đt trong cht lu: thì vn
tc ca cht lu s xác đnh mt trong các đc trng vt lý ca vt trung gian
nh: nhit đ ca vt trung gian, tc đ quay ca vt trung gian.
Các phng pháp đo lu lng c bn gm:
- Lu lng k c khí: lu lng k cánh qut-tuabin (Turbine flowmeters),
lu lng k phao ni (Variable-area flowmeters), lu lng k bn chn
(Palette flowmeters).
- Lu lng k đin t (Electro-magnetic flowmeters)
- Lu lng k tn s dòng xoáy.
- Lu lng k khi lng nhit
- Lu lng k đo đ gim áp sut (Differential pressure flowmeters)
17.2. Các phng pháp đo lu lng.
17.2.1. Lu tc k cánh qut (tucbin) (Turbine flowmeter):
Dùng đ đo tc đ dòng chy qua mt ng dn, thng là công t nc hoc
đo tc đ ca tàu bin.
a) Cu to: nh hình 17.1: gm có cánh qut 1 ging nh cánh tua bin, quay
trên giá đ 2 đc gn vào thanh đ 3 trong ng dn:

Hình 17.1. Cu to ca lu tc k cánh qut
 đ 4 có tác dng hn ch tc đ di chuyn ca cánh qut. Trc cánh qut
đc làm bng vt liu không dn t trong đó gn lõi thép 5 bng vt liu mm.
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 3
Bên ngoài ng đt nam châm vnh cu 6 trên nó qun cun dây cm ng 7.
b) Nguyên lý hot đng: khi cánh qut quay, t thông ca nam châm s tng
lên khi lõi thép 5 nm dc trc ca nam châm và gim xung khi lõi thép nm

vuông góc vi nó.
Khi t thông móc vòng trong cun dây cm ng thay đi s xut hin mt
sut đin đng cm ng. Mi vòng quay t thông tng gim hai ln nên tn s
cm ng f trong cun dây cng tng gp hai ln s vòng ca trc. o tn s f
bng tn s k t đó suy ra tc đ dòng chy.
Vi phng pháp trên sai s ca thit b t 1÷0,3%. Nguyên nhân gây sai s
do quán tính ca cánh qut, ma sát gia trc quay và giá đ.
Có th gim sai s bng cách gim mômen quán tính ca cánh qut.
17.2.2. Lu tc k kiu cm ng (Electro-magnetic flowmeters):
Dùng đo tc đ dòng chy dn đin
a) Cu to: nh hình 17.2:

Hình 17.2. Cu to ca lu tc k kiu cm ng
b) Nguyên lý hot đng: ng 1 đc ch to bng vt liu không dn t cho
cht lng dn đin chy qua. T trng bin thiên do nam châm 2 to nên xuyên
qua dòng cht lng cm ng mt sc đin đng. Sc đin đng này đc ly ra
trên hai đin cc 3 và 4 và đa vào thit b đo.  ln ca sc đin đng đc
tính:
BdvkE
ω
=
trong đó: k - h s
ω - tn s góc ca t thông do nam châm to ra.
B - đ cm ng t
d - đng kính trong ng dn
v - tc đ trung bình ca cht lng theo tit din ng.
Sc đin đng có th biu din qua lu lng ca cht lng.
BQ
d
k

E .
4
π
ω
=
vi
4
..
2
dv
Q
π
= là lu lng, tc là s lng cht lng chy qua tit din ng
trong mt đn v thi gian.
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 4
Lu tc k s dng phng pháp trên có u đim là không có quán tính do
vy có th đo đc lu tc bin thiên theo thi gian. Ch th ca dng c không
ph thuc vào thông s vt lý ca cht lng (áp sut, nhit đ, mt đ, đ nht),
ngoài ra nó không ph thuc vào sc cn ph đi vi dòng cht lng nh lu tc
cánh qut.
Sai s ca thit b do xut hin sc đin đng kí sinh hình thành  các đin
cc. Sai s c bn trong khong 1÷2,5%.
17.2.3. Phng pháp đo lu lng bng tn s dòng xoáy (Vortex Flow
Metter):
a) Nguyên lý hot đng: phng pháp đo lu lng bng tn s dòng xoáy
da trên hiu ng s phát sinh dòng xoáy khi mt vt cn nm trong lu cht.
Nguyên nhân gây ra s dao đng này là s sinh ra và bin mt ca các dòng
xoáy bên cnh vt cn. Các dòng xoáy  2 cnh bên ca vt cn có chiu xoáy
ngc nhau.

Hình 17.3. Dòng xoáy xut hin sau vt cn
Tn s s bin mt ca dòng xoáy (và c s xut hin) là mt hiu ng dùng
đ đo lu lng tính bng th tích. Liên h gia kích thc hình hc vt cn, vn
tc lu cht v và tn s bin mt ca dòng xoáy f- tn s dòng xoáy đc din t
trong hng s Strouhal S:
.f b
S
v
=

vi: b - đng kính ca vt cn
f - tn s dòng xoáy
v - vn tc dòng xoáy

Hình 17.4. Phng pháp đo lu lng bng dòng xoáy
Vi điu kin hng s Strouhal S không ph thuc vào tr s Reynold ta có
th tích lu lng theo th tích trên đn v thi gian đc tính:
1
..
v
QbAf
S
=
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 5
vi A là din tích ct ngang ca dòng chy.
 hình thành mt con đng dòng xoáy có tính xác đnh và lp li tht tt
yêu cu vt cn phi đáp ng đ mt s điu kin. Hình dáng mt s vt cn
đc trình bày di đây:

Hình 17.5. Hình dáng mt s vt cn
Hình dáng ca vt cn phi đc cu to sao cho trong mt khong tr s
Reynold khá rng mà tr s Strouhal vn là hng s. Vi vt cn có hình dng
lng kính, ta có tr s S khá n đnh trong sut mt di tr s Reynold khá rng
do vy các thit b đo đc bán trên th trng thng có vt cn hình lng kính..
Tn s dao đng ca vn tc có th đc đo vi nhiu phng pháp khác
nhau. Cng có th đo s dao đng áp sut vi màng sc co giãn hoc đo các
dòng xoáy vi sóng siêu âm. Lc tác dng lên vt cn có hng thng góc vi
dòng chy và trc ca vt cn và đc đo bng các cm ng áp đin.
b) c đim ca phng pháp đo lu lng bng tn s dòng xoáy:
- Phng pháp này rt kinh t và có đ tin cy cao. Tn s dòng xoáy không
b nh hng bi s d bn hay s h hng nh ca vt cn. ng biu din
ca nó tuyn tính và không thay đi theo thi gian s dng. Sai s phép đo rt
bé. Khong đo lu lng tính bng th tích t 3 đn 100%.
Mt tính cht rt đc bit ca phép đo bng dòng xoáy là nó đc lp vi các
tính cht vt lý ca môi trng dòng chy. Sau mt ln chnh đnh, sau đó ta
không cn chnh đnh li vi tng loi lu cht.
Mt u đim na là các thit b đo lu lng bng dòng xoáy không có b
phn c hc chuyn đng và s đòi hi v cu trúc khá đn gin.
- Lu lng k kiu xoáy đc dùng đ đo các lu cht là cht lng, khí và
hi (tr các lu cht có đ nht quá ln) vi đ chính xác tng đi cao:
Lu cht  chính xác
Cht lng
± 1 %
Khí
± 1 %
Hi
± 1,5 %
- Các yu t cn quan tâm khi s dng lu lng k kiu xoáy là: cách lp

đt, nhit đ lu cht, t trng và đ nht ca lu cht, các yu t nhiu do rung
đng
Ví d: lu lng k kiu xoáy YEWFLO ca hãng Yokogawa - Nht Bn:
S
dDd
D
fQ
)..
4
.
(
.
2
−
=
π

GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 6
vi: Q - lu lng t l
d - đ rng ca thanh to xoáy
D - đng kính bên trong ca YEWFLO

Hình 17.6. Lu lng k kiu xoáy YEWFLO
Cu trúc ca lu lng k này nh hình 17.7:

Hình 17.7. Cu trúc ca lu lng k kiu xoáy YEWFLO
1. B chuyn đi 2. Ming đm
3. Thành phn cm bin 4. Thanh to xoáy
5. Màn hình hin th tín hiu đu ra 6. Dây tín hiu cm bin.

Thanh to xoáy s to ra các lc nâng có ng sut thay đi. Tn s ca các
thay đi v ng sut này tc là tn s xoáy s đc phát hin bi các thành phn
Chiu dòng chy
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 7
áp đin đc hàn kín trong trong thanh to xoáy. Có 2 thành phn áp đin đ
phân bit các lc to ra bi xoáy và các lc to ra do nhng yu t khác. Chúng
có nhim v chuyn đi các lc xoáy thành các tín hiu đin đc đa ti b
chuyn đi đ x lý. Nhng thành phn này đc đt trong thanh to xoáy và
không tip xúc vi lu cht nh hình 17.8:




Hình 17.8. Cu to ca cm bin áp đin đo lc to xoáy.
c) Nhiu và chng nhiu: cm bin áp đin rt nhy cm vi nhiu, đc bit
là do s rung trên các đng ng, do vy các cm bin lu lng tn s dòng
xoáy phi đc thit k đ hn ch đn mc ti đa tác đng ca nhiu k c vi
phn cng và phn mm.

Hình 17.9. Các nhiu tác đng lên lu lng k tn s dòng xoáy.
d) Các quy đnh v lp đt lu lng k tn s dòng xoáy: vic lp đt lu
lng k tn s dòng xoáy phi tuân theo các quy tc sau:
- Lp lu lng k theo chiu mi tên cùng chiu dòng chy vào:
- Phi đm bo khong cách ti thiu gia lu lng k vi các đon ni vi
các đim ni khác (van, đon cong…) theo chiu xuôi và chiu ngc dòng chy
đ thu đc các tín hiu đu vào chính xác nht (D là đng kính ca lu lng
k): nh hình 17.10.
- Vic lp đt các đim đo áp sut và nhit đ trên cùng mt đng ng vi
lu lng k có quy đnh v khong cách nh hình 17.11.

- Không đo nhng cht lng có cha c các cht rn nh cát, si… loi b
đnh k các vt rn bám vào thanh chn.
- Có th đo đc lu lng khí, cht lng hay hi khi không có s bin đi

Nhiu do rung đng
Nhiu do rung đng
c khí
Máy nén khí
ng c
Máy bm
Van
in cc
Cm bin
Phn tip xúc
v
i lu cht
GIO N_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG V CHT KH
GV: Lờ Quc Huy_B mụn T-L_Khoa in 8
trng thỏi. Tuy nhiờn thng khụng th o cỏc lu cht khi dũng chy cú tp
cht, dũng chy phõn tng hoc dũng chy cú bt khớ.

Hỡnh 17.10. Khong cỏch ti thiu gia lu lng k vi cỏc on ni
vi cỏc im ni khỏc

Hỡnh 17.11. Khong cỏch lp t cỏc im o ỏp sut v nhit
trờn cựng mt ng ng vi lu lng k.
- Tt nht l lu lng k v ng ng phi cú cựng ng kớnh. Trong
trng hp khụng trỏnh khi phi khỏc nhau thỡ ng kớnh ca lu lng k
phi nh hn ng kớnh ng:

D
0
D
1
D
1
<
D
0
Khụng c
D
0
D
2
D
2
>
D
0
c
Dòng chảy
10D
5D
Khoảng cách với ống mở rộng
10D 5D
Dòng chảy
Khoảng cách với ống thu hẹp
20D 5D
Dòng chảy
Khoảng cách với các đoạn rẽ

20D - 40D 5D
Dòng chảy
Khoảng cách với các van
Chiều chảy ngợc
Chiều chả
y xuôi
Dòng chảy
Điểm đo
á
p suất
Điểm đo
nhiệt độ
2 đến 7D
1 hoặc 2D từ điểm đo áp suất
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 17: O LU LNG CHT LNG VÀ CHT KHÍ
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 9
-  đo đc chính xác lu lng ca lu cht thì yêu cu phi đo vi nhng
đng ng luôn đy nh hình minh ha:
Dßng ch¶y vµo
Dßng ch¶y vµo
Dßng ch¶y vµo
Dßng ch¶y vµo
§îc §îc
Kh«ng ®îc
Kh«ng ®îc

- Các lu cht cha c cht lng và cht khí s gây ra các li trong quá trình
đo. Phi tránh các bt khí to ra trong cht lng vì vy mà đng ng phi lp
đt sao cho tránh đc s to thành ca các bt khí. Nên lp đt van theo chiu
xuôi dòng chy vì s gim áp sut khi dòng chy qua van s làm các bt khí

thoát đi:

- Lu ý tránh lp đt lu lng k trong trng hp có mc cht lng trong
ng gi nguyên  mt trng thái không đi.
- Không lp đt lu lng k trong môi trng có nhit đ thay đi đt ngt: