Giáo trình Đặc tính cảm biến - Chương 5: Cảm biến lưu lượng và mức chất lưu

Cảm biến lưu lượng và mức chất lưu Cảm biến lưu lượng Công thức tính lưu lượng Theo thể tích (volumetric): Theo khối lượng (mass): ,: khối lượng riêng Phương trình Bernoulli cho dòng chảy không bị ma sát và ổn định: A: diện tích, h: độ cao, v: vận tốc Các thông số đặc trưng cho chất lưu: : khối lượng riêng (density) : độ nhớt (viscosity) Hệ số Reynolds đặc trưng cho lượng dòng chảy Các thông số kỹ thuật của flowmeter: Repeatability: tính năng hiển thị cùng một giá trị ứng với các thời điểm khác nhau của một giá trị thực nào đó, có ý nghĩa trong việc vẽ đồ thị. Uncertainly: thể hiện khoảng giá trị đo thực của thiết bị, theo tiêu chuẩn EN ISO/IEC 17025: 95% thiết bị đạt chuẩn còn xác suất 5% là không đạt. Accuracy: thể hiện độ chính xác của thiết bị - VD: flowmeter có ‘Accuracy’: (actual flow) giá trị thực Hiển thị giá trị 1000kg/h thì ‘Uncertainly’ nằm trong khoảng: và Hiển thị giá trị 500kg/h thì ‘Uncertainly’ nằm trong khoảng: và - VD: flowmeter có ‘Accuracy’: FS, giá trị max flow: 1000kg/h FS: full scale toàn thang: Nếu hiển thị giá trị 1000kg/h thì ‘Uncertainly’ nằm trong khoảng: và Hiển thị giá trị 500kg/h thì giá trị thực nằm trong khoảng: và : sai số 6% Nhận xét: sai số tăng khi lưu lượng giảm. Turndown (Rangeability, Effective range): tỉ số chỉ khoảng ‘Accuracy’ và ‘Repeatability’ VD: ‘Turndown’= 4:1 minimum flow = 1000:4 = 250kg/h, vậy khoảng đo chính xác của flowmeter 250-1000kg/h (25%-100% maximum flow). Lưu lượng kế áp suất vi sai (Differential Pressure Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Phương pháp phổ biến (chiếm khoảng 40% trong công nghiệp) đo lưu lượng của chất lỏng, khí và hơi dựa vào nguyên tắc thay đổi độ giảm áp suất qua ống hẹp. Ưu điểm: pp này đơn giản, độ tin cậy cao, không có tiếng ồn, đo được bất kỳ ở môi trường, nhiệt độ, áp suất nào, tự làm sạch. Sai số có thể tới 0.1% FS. Khuyết điểm: vùng đo (Rangeability) hạn chế 3-1 (33%-100% FS) do lưu lượng tỉ lệ với căn bậc hai hiệu áp, gây sụt áp, không nên ứng dụng đo dòng chảy thẳng đứng lên. a. Loại Orifice Plate b. Loại Venturi tube c. Loại Nozzle * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến d. Loại Pitot Tube Hình dạng thực tế Pitot tube: Ưu điểm: đơn giản, dùng được nhiều đường kính ống, rẻ, gây sụt áp thấp. Khuyết điểm: delta p nhỏ, đặt nằm ngang. Lưu lượng kế vị trí (Positive Displacement Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động PP này dùng để đo chất lỏng và khí, phổ biến đo đồng hồ nước nhà và gas. Loại đĩa, van vị trí: lưu lượng sẽ tỉ lệ với tốc độ quay của đĩa hay van. Nutating Disc Rotating Valve Loại cánh quạt Rotating Impeller Oval-Gear Rotating Lobe Loại piston * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ưu điểm: đơn giản, ứng dụng tốt cho chất lỏng sệt, ống dẫn ở vị trí bất kỳ, vùng đo (Rangeability) lớn 20-1, dễ bảo trì Khuyết điểm: phải bảo dưỡng, kích thước lớn, giới hạn nhiệt độ và áp suất. Lưu lượng kế thay đổi tiết diện (Variable Area Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Phương pháp này đo lưu lượng của chất lỏng, khí và hơi nước dựa vào vị trí của phao, piston hay van tỉ lệ với lưu lượng dòng chảy, ứng dụng cho đường ống đứng chứa chất lưu chảy lên. * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ưu điểm: phương pháp này đơn giản, ổn định, tuyến tính, độ tin cậy cao, gây sụt áp thấp. Các lưu lượng kế thay đổi tiết diện có bộ hiển thị giá trị đo trực tiếp hay qua bộ chuyển đổi vị trí sang tín hiệu tương tự. Khuyết điểm: phải cân chỉnh lại đối với chất lưu cần đo, giới hạn lưu lượng. Lưu lượng kế Tuabin (Turbine Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Dùng để đo chất lỏng và khí. Nguyên lý chuyển đổi điện tốc độ quay N của cánh tuabin (số vòng quay trong 1s) tỉ lệ với lưu lượng: k: hằng số phụ thuộc vào cấu tạo tuabin không phụ thuộc vào chất lưu. Bằng cách đếm số xung ngõ ra trong 1 đơn vị thời gian hay tần số xung ta sẽ xác định được N Q * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ưu điểm: độ chính xác cao, tuyến tính, tốc độ xử lý và độ phân giải cao, vùng đo (Rangeability) lớn 10-1, tương đối rẻ Khuyết điểm: yêu cầu lưu lượng đủ lớn, độ nhớt lớn hay chất lỏng dao động ảnh hưởng độ chính xác, chất lưu phải sạch do bảo trì khó. Lưu lượng kế điện từ (Magnetic Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Dựa vào định luật cảm ứng điện từ Faraday: một dây dẫn điện phát sinh một điện thế khi nó di chuyển trong từ trường: e = Blv Khi các ion mang điện tích dịch chuyển cùng chất lưu trong đường ống đường lính D với vận tốc v có hướng thẳng góc từ trường B, các ion này tạo thành dây dẫn nối 2 điện cực cảm biến. Kết quả xuất hiện điện áp trên 2 điện cực: e = BDv * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Có 2 loại: Dc Magnetic Flowmeters và Ac Magnetic Flowmeters Chỉ dùng cho chất lỏng và sệt. Ưu điểm: tuyến tính, không làm thay đổi mặt cắt dòng chảy, có thể đo được các chất lỏng dơ bẩn, sệt hay có tính ăn mòn cao như acid, kiềm,, bền bỉ ổn định, vùng đo (Rangeability) lớn 10-1 đến 100-1, không bị ảnh hưởng bởi các thông số chất lưu như độ nhớt, tỷ trọng, áp suất, nhiệt độ. Khuyết điểm: cấu tạo phức tạp, đắt tiền, chất lưu phải có độ dẫn điện tối thiểu do nhà sản xuất cung cấp, không dùng đo khí. Lưu lượng kế siêu âm (Ultrasonic Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Gồm bộ phát và bộ thu siêu âm, siêu âm được tạo bởi vật liệu áp điện do nguồn điện xoay chiều tần số f: 20Kz-10Mz c: vận tốc truyền sóng âm, : bước sóng Có 2 loại chính: Doppler Shift và Transit Time Doppler Shift: bộ phát siêu âm tần số , khi gặp các hạt, mảnh hay bọt khí sẽ bị phản xạ với tần số tới bộ thu, công thức tính vận tốc dòng chảy: = const : vận tốc sóng âm Thường dùng cho chất lỏng sệt, vận tốc chất lưu phải lớn hơn 1 ft/s. Transit Time ( Transit single-path, Transit multi-path): lấy hiệu Để đo được thời gian 2 cảm biến phát cùng một lúc sóng siêu âm, sau đó hoạt động như 2 bộ thu. * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ưu điểm: không gây sụt áp, tần số cao nên không bị ảnh hưởng dao động của chất lưu, vùng đo (Rangeability) lớn 5-1 đến 25-1, không có phần tiếp xúc chất lưu. Khuyết điểm: giá thành cao, lưu lượng phải đầy ống dẫn. Lưu lượng kế tần số dòng xoáy (Vortex Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Dựa trên hiệu ứng phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong chất lưu. Phía sau vật cản hình thành các dòng xoáy, tần số sự hình thành và biến mất dòng xoáy f tỉ lệ với vận tốc v, công thức Lord Rayleigh: hay S: trị số Strouhal không đổi trong khoảng Reynold khá rộng d: đường kính vật cản v: vận tốc chất lưu Để đo f có thể dùng CB áp điện hay điện dung để đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãn, ứng dụng cho chất lỏng và khí * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ưu điểm: vùng đo (Rangeability) lớn 10-1 đến 30-1, không phụ thuộc tính chất vật lý môi trường dòng chảy,không có phần phần tử chuyển động. Khuyết điểm: lưu lượng phải đủ lớn, dao động chất lưu có thể gây sai số, độ phân giải thấp với bộ đo lưu lượng lớn. Lưu lượng kế lực Coriolis (Coriolis Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động : gia tốc hướng tâm và gia tốc Coriolis Lực Coriolis là lực quán tính: Trong kỹ thuật lực Coriolis được ứng dụng để đo lưu khối. Lưu chất chảy trong ống uốn cong, ống này được làm rung lên bằng nam châm điện tần số khoảng 80Hz. Chất lỏng chuyển động theo hướng nằm ngang được gia tốc với lực Coriolis theo hướng thẳng đứng. Khi chưa có chất lưu ống không bị xoắn, khi có chất lưu chuyển động với vận tốc v do lực Coriolis tác dụng làm ống bị uốn xoắn tỉ lệ với vận tốc v (hay lưu khối) đặc trưng bởi độ lệch pha , đo ta tính được lưu khối. * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Thực tế đo trọng khối chính xác hơn là thể tích. VD: chất đốt được định giá lit nhưng chính xác hơn là kg vì khi nung nóng lên thể tích tăng nhưng chỉ số năng lượng (tỷ trọng) nó chẳng gia tăng tí nào. Ưu điểm: tuyến tính, sai số rất thấp, vùng đo rộng, đo được lưu khối chất lưu có tỷ trọng thay đổi hay pha trộn, đo được chất lỏng sệt hay khí, đo cùng lúc được chất lỏng và khí. Khuyết điểm: dao động chất lưu có thể gây sai số, kích thước nhỏ từ 1/16-6 inch, gây sụt áp cao. Các dạng khác: Lưu lượng kế nhiệt (Thermal Mass Flowmeters) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Cấu tạo gồm 2 sensor (RTD) đo nhiệt ở 2 vị trí ứng với và nguồn tạo nhiệt không đổi. Lưu khối tỉ lệ nghịch với Hay (hình B) K: hệ số meter (the meter coefficient), Cp: thông số đặc trưng chất lưu (the specific heat of the fluid), q: hệ số nhiệt điện (the electric heat rate). * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ưu điểm: vùng đo (Rangeability) lớn 10-1 đến 100-1, đo được lưu khối chất khí có vận tốc nhỏ, không phụ thuộc môi trường, thành phần dòng chảy. Khuyết điểm: phi tuyến, độ chính xác không cao. Chú ý: vì công thức tính lưu lượng phụ thuộc vào mà phụ thuộc vào nhiệt độ do đó flowmeter phải có bộ xử lý bù nhiệt độ. Ngoài ra còn có các phương pháp đo lưu lượng khác: Elbow Meter, Swirl Meter, Target Meter, Insertion Meter, Tracer Meter, Laser Doppler Meter, Cảm biến mức chất lưu Phương pháp thủy tĩnh Dùng phao nổi (Float Level Meter): * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Chỉ số CB là hàm liên tục tỉ lệ với chiều cao của chất lưu trong bình chứa, không phụ thuộc vào tỷ trọng và tính chất điện của chất lưu. Ball float level Chain float gauge Magnatic bond detecter Dùng phao vị trí (Displacer Level Meter): * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Chiều cao của hình trụ b phải lớn hơn hoặc bằng mức cao nhất của chất lưu. Tính lực : tỷ trọng của khối trụ, không khí, chất lỏng (đk ) Displacer switch Cảm biến mức vi sai áp suất (Differential pressure (DP) level meter) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Sử dụng CB áp suất vi sai đặt ở đáy bình chứa. CB đóng vai trò vật trung gian có một màng mỏng, một mặt chịu tác động của áp suất p ở đáy bình, mặt kia chịu tác động của áp suất tham chiếu ở đỉnh bình (nếu bình để mở thì đó là áp suất khí quyển). Sự biến dạng của màng tỉ lệ với tức tỉ lệ với chiều cao h của chất lỏng trong bình chứa. Bồn mở Open tank differential pressure detector Bồn kín (chất lỏng bị bay hơi như xăng, dầu, hương liệu, ) Closed tank ‘dry’ reference Khi chất lỏng dễ bị bay hơi và ngưng tụ, phần ống tham chiếu được làm đầy với cùng loại chất lỏng cần đo mức nối với đầu HP (high presure), áp suất này không đổi. Khi đó áp suất đầu LP (low pressure) thay đổi tỉ lệ với chiều cao h cột chất lưu. Closed tank ‘wet’ reference Công thức liên quan: p: áp suất đáy bình, :áp suất khí quyển, L: chiều cao mức chất lưu, : tỷ trọng chất lưu Ta thấy chiều cao mức chất lưu phụ thuộc vào , để khắc phục ta gắn thêm một CB áp suất (hình b) khi đó: Ngoài ra còn có pp ‘buble tube’ được dùng trong trường hợp không gắn được CB ở đáy bình (hình c). PP này yêu cầu áp suất bình phải không đổi. Phương pháp điện: Cảm biến độ dẫn điện (conductivity probes) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Cấu tạo gồm 1 điện cực hình trụ, đầu đo được nuôi bằng nguồn áp xoay chiều để tránh hiện tượng của các điện cực. * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Đầu đo đặt theo vị trí thẳng đứng. Chỉ dùng cho chất lưu dẫn điện, không có tính ăn mòn. Thường dùng chế độ on/off phát hiện ngưỡng. Trong chế độ liên tục, dòng điện chạy trong điện cực tỷ lệ với chiều dài chạy của điện cực bị ngập trong chất lưu và phụ thuộc vào độ dẫn chất lưu. Cảm biến điện dung (capacitance probes) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động K: hằng số điện môi Khi chất lỏng cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực (hay một điện cực kết hợp với thành bình kim loại của bình chứa). Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí (thường gấp đôi). Khi chất lưu dẫn điện chỉ cần dùng 1 điện cực bên ngoài có phủ lớp vật liệu cách điện đóng vai trò là chất điện môi của tụ, điện cực còn lại chính là chất lưu. * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Trong chế độ liên tục, việc đo mức chất lưu chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi tỉ lệ theo mức chất lưu bình chứa. Ngoài ra còn có dạng nằm ngang (thường dùng chế độ on/off phát hiện ngưỡng): Xác định mức chất lưu bằng phương pháp cân bằng đo trọng lực (balance method) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Để xác định mức chất lưu có tính chất ăn mòn, nguy hiểm hay mức chất rắn có trong bồn chứa, người ta dùng cách cân trọng lượng của bồn tương ứng lực F tỉ lệ với chiều cao mức chất lưu L: : trọng lượng của bồn khi không có chất lưu :tỷ trọng của không khí, chất lưu * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Phương pháp này gặp trở ngại nếu đặt ngoài trời do mưa hay gió gây sai số. Phương pháp bức xạ: Sóng siêu âm, sóng viba, laser (ultrasonic, microwaves, laser) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Cảm biến siêu âm, laser dùng để đo khoảng cách vật đến CB tương đối lớn. Bộ phát và bộ thu cùng nằm trên CB, CB đo khoảng cách d dựa trên thời gian T từ khi phát chùm tia đến khi nhận được chùm sóng phản xạ có vận tốc v : * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ưu điểm pp này: Có độ chính xác cao không bị mật độ khí và các lớp nhiệt độ khác nhau của lớp khí bên trên chất lỏng ảnh hưởng. Cho kết quả chính xác cả với khói bụi, hơi nước trong bồn chứa và bọt trên mặt chất lỏng. Không gặp khó khăn với các bồn có khoấy. Chịu được nhiệt độ và áp suất cao. Ngoài ra còn có dạng nằm ngang (thường dùng chế độ on/off phát hiện ngưỡng): Ngoài ra còn có các phương pháp đo mức khác: Thermal Switches, Vibrating Switches, Optical Switches, Nuclear Level Sensors (dùng tia phóng xạ)