Do Luong Cong Nghiep

1/22/2010

ThS. Trần Mạnh Cường - BM Kỹ thuật điện tử - ĐH GTVT 1

Bài giảngĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆP

Giảng viên : ThS. Trần Mạnh CườngBộ môn : Kỹ thuật điện tửTrường : Đại học Giao thông vận tảiThời lượng : 45 tiết

22/01/2010

GIỚI THIỆU CHUNG

Mục đích môn học• Cung cấp các kiến thức về đo lường các đại lượng không điện,

áp dụng trong điều kiện công nghiệp• Giới thiệu phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống đo

lường trong công nghiệpYêu cầuSinh viên có kiến thức các môn học sau• Kỹ thuật đo lường• Cảm biến đo lường• Kỹ thuật số• Kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển22/01/2010

1/22/2010


GIỚI THIỆU CHUNG

Nội dung môn họcChương 1: Khái niệm đo lường công nghiệpChương 2: Hệ thống đo nhiệt độChương 3: Hệ thống đo áp suất và lưu lượngChương 4: Hệ thống đo nồng độ chất khí

Tài liệu tham khảo[1] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn

Hòa, Nguyễn Thị Vấn, Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý,NXB GD & ĐT 1996

[2] Tuyển tập các phương pháp đo lường trong công nghiệp(bản tiếng anh)22/01/2010

CHƯƠNG 1KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG

CÔNG NGHIỆP

22/01/2010

1/22/2010


CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆP

1.1. Nhắc lại các kiến thức về đo lườngPhép đo là quá trình xác định giá trị của một đại lượng bằng cách so sánh giá trị đó với một giá trị chuẩn

n Chỉ số đo

A Giá trị cần đo

Ax Giá trị đơn vị đo

AnAx

=

22/01/2010


Sai số là giá trị biểu thị sự sai khác giữa giá trị cần đo với giá trị thực của đại lượng đo

Sai số tuyệt đối

Sai số tương đối

n N n∆ = −

nnN

δ∆

=

N Giá trị thực Sai số tuyệt đối

n Giá trị đo được Sai số tương đốin∆nδ

22/01/2010

1/22/2010



Đánh giá sự chính xác của đại lượng thực đo được N

Một là: lấy kết quả đo từ thiết bị đo mà ta biết chắc chắn có độchính xác cao hơn, đó chính là kết quả đo của các thiết bị mẫu

Hai là: đo nhiều lần và lấy N là giá trị trung bình cộng của cáclần đo

1

k

ii

nN

k==∑

ni Kết quả đo lần thứ iK Số lần thực hiện phép đo

22/01/2010


Phân loại sai số phép đoSai số cơ bản là sai số do khả năng chế tạo thiết bị gây ra. Khithiết bị đo làm việc trong điều kiện tuân thủ tất cả các yêu cầucủa nhà sản xuất đặt ra thì sai số phép đo bằng với sai số cơbản

Sai số phụ là sai số sinh ra do điều kiện sử dụng thiết bị khôngtuân thủ đầy đủ yêu cầu của nhà chế tạo. Khi tồn tại sai số phụthì sai số phép đo sẽ là tổng sai số cơ bản và sai số phụ

22/01/2010

1/22/2010



Các phương pháp đoĐo trực tiếp là giá trị đại lượng cần đo được so sánh trực tiếp với đơn vị đo để xác định chỉ số đo. Phương pháp này có độ chính xác không cao vì bị giới hạn bởi đơn vị nhỏ nhất và khả năng nhận biết của người đo, đồng thời không có khả năng tự động hóaĐo gián tiếp, giá trị đại lượng cần đo được chuyển sang dạng tín hiệu khác (cảm biến đo)

Hình 1.1: Phép đo gián tiếp 22/01/2010


1.2. Sơ đồ khối hệ thống đo trong công nghiệp

Hình 1.2: Hệ thống đo trong công nghiệp

Hệ thống đo trong công nghiệp tối thiểu gồm 2 thành phần làcảm biến đo và thiết bị chỉ thị đo, giữa cảm biến đo và thiết bịchỉ thị có thể có các chuyển đổi đo có vai trò là chuyển đổi tínhiệu đo từ dạng này sang dạng khác thuận tiện cho việc tínhtoán giá trị đo

22/01/2010

1/22/2010



Cảm biến đo có nhiệm vụ chuyển tín hiệu cần đo thành tín hiệuthuận lợi và có thể thực hiện phép đo. Đặc trưng của cảm biếnđo

- Đặc tính cảm biến đo được biểu thị dưới dạng y = f (Q). Cảm biếnđo được đánh giá có tính ưu việt nhất khi mối liên hệ của nó là dạngtuyến tính y = K.Q

- Độ nhạy cảm biến ε là sự thay đổi tín hiệu ra khi tín hiệu vào thayđổi 1 đơn vị. Đối với cảm biến tuyến tính, độ nhạy ε chính là hệ sốcố định K

- Ngưỡng độ nhạy là giá trị nhỏ nhất của đại lượng cần đo mà cảmbiến đo có thể phát hiện một cách chắc chắn. Ngưỡng độ nhạy đượctính bằng một nửa khoảng không xác định của cảm biến đo nghĩa làkhoảng tín hiệu ra có thể tồn tại khi tín hiệu vào không đổi

22/01/2010


- Giới hạn đo của cảm biến là giá trị lớn nhất của đại lượng cầnđo mà cảm biến đo có thể thu nhận được mà không bị méo vàkhông gây hư hại cho nó

- Sai số của cảm biến là chỉ số chất lượng cơ bản của nó. Sai sốcủa cảm biến đo được xác định bằng thực nghiệm đồng thờivới quá trình xác định đặc tính của nó, tức là quá trình khắc độcảm biến đo. Trong quá trình khắc độ cảm biến đo, cần phảitiến hành xác định nhiều lần mối liên hệ giữa đầu vào và đầura trong cùng một điều kiện chuẩn. Kết quả thu được thường làkhác nhau, do đó, cần thiết phải xác định đặc tính chuẩn củacảm biến đo

22/01/2010

1/22/2010



Xác định đặc tính chuẩn của cảm biến- Xây dựng các mối liên hệ ngẫu nhiên giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của cảm biến đo bằng thực nghiệm- Trên cơ sở trường tương quan vừa xây dựng chọn dạng hàm hồi quy y = f(Q, a, b,..) với a, b,... là các hệ số của hàm.- Các hệ số được xác định theo phương pháp cực tiểu tổng bình phương sai lệch

- Xác định các hệ số theo hệ phương trình- Trên cơ sở đó, sai số được xác định

là sai số điểm 0

( ) 2

1

, , ,...n

i ii

J y f Q a b=

= − ∑

0

0

JaJb

∂ =∂∂ =∂

0y Qδ∆ = ∆ +0y∆22/01/2010


Chỉ thị đo có nhiệm vụ thực hiện gia công số liệu nhận được từcảm biến đo để xác định giá trị chỉ số đo và hiển thị một cáchchính xác- Chỉ thị liên tục chỉ thị bằng kim, với đặc trưng là tốc độ chỉthị, giới hạn đo và độ chính xác kết quả đo- Chỉ thị số chỉ thị bằng Led 7 thanh hoặc màn tinh thể lỏng,với đặc trưng là chu kì lấy mẫu và số lượng chữ số được hiểnthị trong dãy số

Hình 1.3: Chỉ thị liên tục và chỉ thị số22/01/2010

1/22/2010



1.3. Đặc điểm chính của hệ thống đo trong công nghiệp- Trong hệ thống đo công nghiệp tồn tại nhiều chuyển đổi đogiữa cảm biến đo và chỉ thị đo. Vai trò của chuyển đổi đo làchuyển dạng tín hiệu đo từ dạng này sang dạng khác, cần thiếtđể thực hiện các thao tác tiếp theo. Mối liên hệ giữa tín hiệuvào và tín hiệu ra của chuyển đổi đo là tuyến tính. Đặc trưngcủa chuyển đổi đo là độ nhạy và ngưỡng độ nhạy. Giới hạnchuyển đổi phải luôn luôn đảm bảo yêu cầu thiết kế- Lúc này, sai số của cả hệ thống được xác định

2

1

k

ii

n=

∆ = ∆∑∆n Sai số của hệ thống

∆i Sai số của thiết bị thứ i

k Số lượng thiết bị trong hệ thống

22/01/2010

CHƯƠNG 2HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ

22/01/2010

1/22/2010


CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ

2.1. Khái niệm chungNhiệt độ là đại lượng vật lý biểu thị mức độ nóng lạnh của vật thể

hay của môi trường. Đại lượng này ảnh hưởng trực tiếp đếnchất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ

Đơn vị đo nhiệt độ Đơn vị Ký hiệu

Kenvin 0K

Celsius 0C

Fahrenheit 0F

Rankine 0Ra

0 0

0 0 0 0

( ) ( ) 273,155 5( ) 273,15 ( 32) 273,159 9

T K t C

t C T K n F m Ra

= +

= − = − −

ĐiỂMCHUẨN NHIỆT ĐỘ 0K 0C

Điểm sôi của Hydro 20,28 -252,87

Điểm sôi của Oxy 90,188 -182,962

Điểm đông đặc của nước 273,15 0

Điểm sôi của nước 373,15 100

Điểm nóng chảy của kẽm 692,73 419,58

Điểm nóng chảy của bạc 1235,08 961,93

Điểm nóng chảy của vàng 1337,58 1064,4322/01/2010


2.2. Nhiệt kế chất lỏngCấu tạo, nguyên lý hoạt động

Nhiệt kế chất lỏng sử dụng nguyên lý về sự dãn nở chất lỏngphụ thuộc nhiệt độ để thực hiện việc đo nhiệt độ

Hình 2.1: Nhiệt kế dãn nở chất lỏng

22/01/2010

1/22/2010



Đặc điểm- Nhiệt kế dãn nở chất lỏng thường được sử dụng để đo nhiệt độ trong khoảng -200 đến 750oC- Độ chính xác cao- Giá thành thấp

Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế chất lỏng được thể hiện bằng công thức

Với độ chính xác không cao lắm, ta có thể sử dụng công thức rút gọn

20 (1 )tv v t tα β= + +

0 (1 )tv v tα= +

vt Thể tích chất lỏng ở nhiệt độ t

v0 Thể tích chất lỏng ở 0oC

α, ß Hệ số dãn nở vì nhiệt của chất lỏng

22/01/2010


Để có thể quan sát được sự thay đổi thể tích bằng mắt thườngthì chất lỏng phải có hệ số dãn nở vì nhiệt tối thiểu là

α = 1,6.10-4K-1

Các chất lỏng được sử dụng trong công nghiệp là thủy ngân,dầu hỏa, pentan (C5H12), benzentoluen (C6H5CH3), rượu êtylic(C2H5OH),... trong đó thủy ngân được sử dụng rộng rãi nhất

Chất Hệ số dãn nở vì nhiệt α

Thủy ngân 1,8.10-4 K-1

Rượu êtylic 10,5.10-4 K-1

Dầu hỏa 9,5.10-4 K-1

Pentan 14,5.10-4K-1

22/01/2010

1/22/2010



- Nếu giới hạn đo của nhiệt kế dưới mức 200oC thì không gian trong ống mao dẫn thường là chân không- Các nhiệt kế thủy ngân có giới hạn đo vượt quá 200oC thì trong khoảng không gian trong ống mao dẫn thường điền đầy khí trơ với áp suất cao (thường là nitơ)Để đo được nhiệt độ 500oC thì áp suất trong ống mao dẫn phải đạt được 20 KG/cm2 (2MPa)

Phân loại- Nhiệt kế nhúng hoàn toàn- Nhiệt kế nhúng 1 phần

22/01/2010


2.3. Nhiệt kế chất rắnCấu tạo

Hình 2.2: Nguyên lý nhiệt kế dãn nở chất rắn

22/01/2010

1/22/2010



Nguyên lýCác chất rắn sẽ thay đổi kích thước khi nhiệt độ thay đổi. Nếu khoảng thay đổi nhiệt độ không lớn thì chiều dài của một vật rắn phụ thuộc nhiệt độ theo công thức

Bằng cách tính được bán kính cong của cảm biến, ta có thể tính được nhiệt độ của môi trường cần đo.

0 (1 )tl l tα= + lt Chiều dài của vật ở nhiệt độ t

l0 Chiều dài của vật ở nhiệt độ 0oC

α Hệ số dãn nở dài trung bình của vật.

22/01/2010


Các phương trình tính toánKhi nhiệt độ môi trường đo thay đổi, do độ dãn nở vì nhiệt của 2 kim loại là khác nhau nên cảm biến sẽ bị cong và làm thay đổi bán kính cong của cảm biến. Dựa vào sự thay đổi bán kính cong này mà ta có thể tính được sự thay đổi về nhiệt độ

( )

( ) ( )( )( )

22

2 1 02 2

3 113 1 1

md L T T

t m mn mmn

α α+

= − − + + + +

α2, α1 Hệ số dãn nở vì nhiệt của 2 kim loại t1, t2 Độ dày của 2 tấm kim loại

m t1/t2 E1, E2 Hệ số Young của 2 kim loại

n E1/E2 T0 Nhiệt độ tại đó 2 kim loại có chiều dài bằng nhau

L Khoảng cách 2 đầu cảm biến t Chiều dày của 2 cảm biến t = t1+t222/01/2010

1/22/2010



Ứng dụngMặc dù có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản, độ nhạy cao nhưng nhiệt kế dãn nở chất rắn rất ít được sử dụng để đo nhiệt độ trong công nghiệp mà phần lớn được sử dụng làm các rơle nhiệt dưới dạng rơle độ nở và rơle lưỡng kim

Hình 2.3: Rơ le độ nở và rơle lưỡng kim22/01/2010


2.4. Nhiệt kế công nghiệp sử dụng chất khí Cấu tạo

Hình 2.4: Nhiệt kế áp lực22/01/2010

1/22/2010



Nhiệt kế áp lực là thiết bị đo nhiệt độ dựa vào mối quan hệgiữa áp suất và nhiệt độ trong một hệ thống kín. Phụ thuộc vàovật thể trong hệ thống nhiệt mà người ta chia thành nhiệt kế áplực chất khí, nhiệt kế áp lực chất lỏng,...

Nguyên tắc hoạt độngHệ thống nhiệt của nhiệt kế được điền đầy chất lỏng hoặc chấtkhí có chức năng dẫn nhiệt. Khi hệ thống nhiệt được đặt trongmôi trường cần đo nhiệt độ, áp suất trong hệ thống sẽ thay đổi.Khi đó, áp suất trong hệ thống sẽ làm cho tiết diện ống bị biếndạng, lò xo ống dãn ra và làm dịch chuyển đầu tự do của nó.Thông qua thanh dẫn, tác động này sẽ làm quay bánh rănghình quạt, quay bánh răng và làm kim chỉ thị dịch chuyển trênthang chia độ

22/01/2010


Các thông số của nhiệt kế áp lực- Ống lò xo thường có dạng hình elip hoặc hình chữ nhât- Ống mao dẫn được chế tạo từ đồng thau hoặc thép có đườngkính ngoài 2,5mm và đường kính trong là 0,35mm- Chiều dài ống mao dẫn có thể từ 1m đến 60m. Phía ngoàiống mao dẫn có vỏ kim loại để bảo vệ- Nếu áp suất trong hệ thống thấp hơn 64Kg/cm2 thì không cầncó vỏ bảo vệ. Nếu áp suất này lớn hơn 250Kg/cm2 thì cần cóống bảo vệ bằng kim loại- Các nhiệt kế áp lực được chế tạo trong điều kiện chuẩn(20oC). Khi đo nhiệt độ trong điều kiện khác chuẩn, ta thườngsử dụng 1 thanh kim loại hình chữ U thay cho thanh dẫn để bùnhiệt độ22/01/2010

1/22/2010



Nhiệt kế áp lực chất khí- Khoảng đo -150oC đến 600oC- Chiều dài ống dẫn 0,6m đến 60m- Chất khí được sử dụng là Nitơ

Khi thể tích không đổi thì mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất được mô tả theo công thức

0 (1 )tP P ßt= +Pt Áp suất tại nhiệt độ t

P0 Áp suất tại nhiệt độ 0oC

ß Hệ số nhiệt – áp suất của chất khíß(Nitơ) = (0,003661÷0,000013P0)1/oK

22/01/2010


Khi nhiệt độ thay đổi từ giới hạn đầu td đến giới hạn cuối củathang đo tc thì sự thay đổi áp suất được mô tả

Khi đó, sự thay đổi áp suất trong hệ thống sẽ là

Rõ ràng khi sự thay đổi áp suất trong hệ thống tỉ lệ với áp suấtban đầu và hiệu nhiệt độ tc – td. Tuy nhiên, khi nhiệt độ thayđổi thì thể tích chất khí cũng thay đổi theo. Do vậy, ∆P theocông thức trên không hoàn toàn chính xác nhưng nhìn chungảnh hưởng hưởng này là không đáng kể

( )11

d cc

d

P ßtP

ßt+

=+

( ) ( )11

1 1c

c d d d c dd d

ßt ßP P P P P t tßt ßt

+ ∆ = − = − = − + +

22/01/2010

1/22/2010



Khi giới hạn đo thay đổi, để đảm bảo giá trị ∆P cần thiết, người tathường thay đổi giá trị áp suất ban đầu Pd

- Khi giới hạn đo từ 0 ÷ 100oC thì ở áp suất 0oC thì Pd = 38Kg/cm2

- Khi giới hạn đo 0 ÷ 600oC thì ở áp suất 0oC thì Pd = 15Kg/cm2

Bầu nhiệt có thể tích tùy vào chiều dài ống dây- Đường kính bầu nhiệt thường là 20mm. Chiều dài bầu nhiệtlà 125mm khi chiều dài ống dẫn tối đa là 2,5m- Khi chiều dài ống dây là 40m thì chiều dài bầu nhiệt là500mm

22/01/2010


2.5. Các loại cảm biến nhiệt độCặp nhiệt điện

Hình 2.5: Cặp nhiệt điện22/01/2010

1/22/2010



Nguyên lý làm việcNếu lấy 2 dây dẫn có bản chất kim loại khác nhau nối chặt lại với nhau ở 2 đầu rồi đốt nóng một đầu thì trong vòng dây dẫn sẽ xuất hiện dòng điện, gọi là dòng nhiệt điện. Sự xuất hiện dòng điện này có thể giải thích bằng hiện tượng khuếch tán tự do giữa 2 dây dẫn tại điểm tiếp xúc và hiện tượng khuếch tán điện tử trong mỗi dây dẫn khi có sự chêch lệch nhiệt độ ở 2 đầu dây

Các vấn đề khi sử dụng cặp nhiệt điện- Giá trị của suất điện động sinh ra trong cặp nhiệt điện

22/01/2010


Xét vòng dây kín ta cóGiả sử 2 dây A và B có nồng độ điện tửnA > nB, khi đó xuất hiện dòng khuếchtán điện tử từ A sang B tức là xuất hiệneAB(t) và eAB(t0) từ dây B sang dây AGiả sử tại đầu dưới có nhiệt độ t lớn hơnnhiệt độ đầu trên t0. Khi đó, có dòng điệntử khuếch tán từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp, tức là có eA(t,t0) và eB(t,t0) có chiều từ trên xuống dướiĐiện áp xuất hiện trong vòng dây sẽ là

0 0 0( ) ( , ) ( ) ( , )AB A AB BE e t e t t e t e t t= − − +22/01/2010

1/22/2010



Trong thực tế, 2 điện áp eA(t,t0) và eB(t,t0) rất nhỏ so với eAB(t) và eAB(t0) nên ta có

Tức là suất điện động sinh ra trong vòng dây tỉ lệ với hiệu nhiệt độ giữa 2 đầu dây

- Ảnh hưởng của thiết bị đo lên cặp nhiệt điện

0( ) ( )AB ABE e t e t= −

22/01/2010


Tại sơ đồ thứ nhất, thiết bị đo được mắc tại đầu tự do của cặp nhiệt điện. Khi đó

Tại nhiệt độ t = t0 ta có

tức là

Thay vào phương trình trên ta có

0 0( ) ( ) ( )AB AC BCE e t e t e t= − +

0 0 00 ( ) ( ) ( )AB AC BCe t e t e t= − +

0 0 0( ) ( ) ( )AB AC BCe t e t e t= −

0( ) ( )AB ABE e t e t= −

22/01/2010

1/22/2010



Tại sơ đồ thứ 2, thiết bị đo được mắc trong điện cực. Theo định luật Kirchoff 2 ta có

Tức là

Như vậy, dù ta mắc thiết bị đo ở vị trí nào đi nữa thì giá trị hiển thị trên thiết bị đo cũng không thay đổi

Để tăng độ nhạy của phép đo, ta có thể ghép nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện lại với nhau

0 1 1( ) ( ) ( ) ( )AB AB BC BCE e t e t e t e t= − − +

0( ) ( )AB ABE e t e t= −

22/01/2010


Ghép mắc xung đối Ghép mắc nối tiếpHình 2.6: Các cách ghép cặp nhiệt điện

22/01/2010

1/22/2010



Mạch đo trong công nghiệpĐặc điểm mạch đo trong công nghiệp- Đầu tự do phải có độ ổn định nhiệt cao, cách xa các bề mặt được đốt nóng, thông thường đầu tự do của cặp nhiệt điện phải đưa về phòng điều khiển trung tâm để ghép với thiết bị đo. Do đó phải có dây dẫn bù.- Mỗi cặp nhiệt điện đều có dây dẫn bù riêng- Nhiệt độ tác động lên đường dây dẫn bù có nhiệt độ trong khoảng 0-100oC

22/01/2010


Theo sơ đồ trên ta có

Nếu toàn bộ hệ thống có cùng chung một nhiệt độ thì

Khi đó

Cuối cùng ta có

Như vậy, chiều dài dây dẫn bù không gây ra suất điện động phụ trong hệ thống

1 1 1 1 0 1 1( ) ( ) ( ) ( )AB AA A B BBE e t e t e t e t= − − +

1 1 1 1 1 10 ( ) ( ) ( ) ( )AB AA A B BBe t e t e t e t= − − +

1 1 1 1( ) ( )AA BBe t e t=

1 1 0 0( ) ( ) ( ) ( )AB A B AB ABE e t e t e t e t= − = −

22/01/2010

1/22/2010



Bù nhiệt độ đầu tự doĐiều kiện chuẩn để xác định đặc tính của cặp nhiệt điện là0oC. Tuy nhiên trong thực tế sử dụng, đầu tự do luôn khác 0.Nghĩa là suất điện động đo được luôn nhỏ hơn suất điện độngtiêu chuẩn. Vì thế ta phải tiến hành bù suất điện động này.

Điện trở R1, R2 và R3 được làmbằng manganin có hệ số nhiệt vôcùng nhỏ. Rb được chế tạo bằngdây đồng thỏa mãn

mV

Eθ BA

Rt R1

R2R3

Rg

RB

EB

0(1 )bR R tα= +22/01/2010


22/01/2010

1/22/2010



Nhiệt điện trở

Hình 2.7: Nhiệt điện trở

22/01/2010


Nguyên lý hoạt độngNguyên lý hoạt động của nhiệt điện trở dựa vào sự phụ thuộc điện trở của vật dẫn hay bán dẫn vào nhiệt độ của nó theo công thức

0( , )tR f R t=Rt Điện trở ở toC

R0 Điện trở ở 0oC

Loại nhiệt điện trở Công thức liên hệ Nhiệt độ đo được

Nhiệt điện trở đồng Lên tới 180oC

Nhiệt điện trở bạch kim

Lên tới 1100oC

Nhiệt điện trở bán dẫn

-100 đến 120oC

30 (1 4,25.10 )tR R t−= +

3 7 20 (1 3,94.10 5,8.10 )tR R t t− −= + −

.BT

TR A e=

22/01/2010

1/22/2010



Can nhiệt điện trở

Hình 2.8: Can nhiệt điện trở

22/01/2010


Can nhiệt điện trở thường gặpCan nhiệt điện trở bạch kim có kí hiệu TCΠ-50 (R0=50Ω) và TCΠ-100 hay PT-100 (R0=100Ω) Can nhiệt điện trở đồng có kí hiệu TCM-50 (R0=50Ω) và TCM-100 (R0=100Ω)

Độ chính xác

Loại bạch kim Loại đồng

Phân loại Sai số R0 Sai số hệ số nhiệt Phân loại Sai số R0 Sai số hệ số nhiệt

Loại I ±0,05% Loại II ±0,1%

Loại II ±0,1% Loại III ±0,1%

67.10 1/.

odR CR dt

α −= = ±

51.10 1/.

odR CR dt

α −= = ±

61.10 1/.

odR CR dt

α −= = ±

62.10 1/.

odR CR dt

α −= = ±

22/01/2010

1/22/2010



2.6. Hệ thống đo nhiệt độ công nghiệp sử dụng trong đolường và điều khiểnHệ thống đo nhiệt độ trong công nghiệp thường sử dụng cảmbiến nhiệt độ cặp nhiệt điện hoặc sử dụng can nhiệt điện trởkết hợp với hệ thống hiển thị.

Hệ thống hiển thị có thể sử dụng loại chỉ thị kim (chỉ thị từđiện) hoặc chỉ thị số

Trong thực tế, ngoài việc sử dụng cặp nhiệt điện, can nhiệtđiện trở, người ta cũng còn sử dụng các loại cảm biến điện tửvi mạch

22/01/2010


Milivolt kế Cấu tạo của milivolt kế dựa trênnguyên tắc của chỉ thị kim kiểutừ điện. Nguyên tắc hoạt động củacơ cấu là khi có dòng điện chạy trongmột khung dây kín đặt trong từ trường,khung dây sẽ chịu ảnh hưởng của lực từ trường vào sẽ quay quanh trụccủa nó. Mô men quay có độ lớn phụ thuộc vào cường độ dòng điện qua khung dây Hình 2.9: Milivolt kế

Kim chØ

22/01/2010

1/22/2010



Phương trình đặc trưng

Milivolt kế trong hệ thống đo nhiệt độ

Hình 2.10: Hệ thống đo nhiệt độ cặp nhiệt điện-milivolt kế

.K Iα =α Góc quay cơ cấu

K Độ nhạy

I Cường độ dòng điện qua khung dây

22/01/2010


Cường độ dòng điện trong khung dây

Góc quay của khung dây

Yêu cầu đặt ra là góc quay α chỉ phụ thuộc vào E(t,t0), để đảm bảo yêu cầu này thì Ʃ R phải cố định. Thông thường người ta sử dụng điện trở phụ RP bằng manganin

0 0( , ) ( , )

mV n

E t t E t tIR RR

= =+∑

RmV Điện trở trong gồm điện trở khung dây và điện trở phụ được xác định khi chia độ mV

Rn Điện trở ngoài gồm điện trở cặp nhiệt điện, điện trở phụ mạch ngoài và điện trở dây dẫn bù

0( , ). .mV n

E t tK I KR R

α = =+

0 0 0

0

(1 )

(1 . )mV KD p p p

t t m

R R R R t R R R R t

R R t

α α

α

= + = + + = + +

= +

Rt Điện trở mV kế ở t0C

αm Hệ số nhiệt quy đổi22/01/2010

1/22/2010



Hệ thống đo nhiệt độ chỉ thị số

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống đo lường số

- Cảm biến đo được sử dụng thông thường là cặp nhiệt điện- Chuyển đổi đo thông thường là khối khuếch đại có nhiệm vụ

khuếch đại tín hiệu từ cảm biến cho phù hợp với khâu lượng tửhóa

- Khâu lượng tử hóa có nhiệm vụ chuyển tín hiệu tương tự thànhtín hiệu số

- Chỉ thị số có nhiệm vụ hiển thị kết quả đo22/01/2010


Hình 2.12: Đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện sử dụng vi điều khiển AVR với màn hiển thị LCD

22/01/2010

1/22/2010



2.7. Các loại hỏa kế đo nhiệt độ lớnNguyên lý

Hỏa kế là thiết bị đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếpxúc. Nhiệt lượng được xác định thông qua năng lượng bức xạcủa nó. Do cảm biến không tiếp xúc với vật đo nên không làmthay đổi nhiệt độ của vật đo. Đồng thời, cảm biến đo khôngtiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao nên theo lý thuyết, có thểnói phương pháp đo không tiếp xúc không tồn tại giới hạn đo.

Các loại hỏa kế đều dựa trên cơ sở các định luật bức xạ nhiệtcủa vật đen tuyệt đối

22/01/2010


Hỏa kế bức xạ toàn phần

Hình 2.13: Hỏa kế bức xạ toàn phần22/01/2010

1/22/2010



Cấu tạoCấu tạo hỏa kế bức xạ toàn phần gồm 2 phần chính- Phần đầu đo gồm các cặp nhiệt điện được mắc nối tiếp vớinhau và một hệ thống các thấu kính hội tụ, vỏ đầu đo, hệ thốngkính màu để bảo vệ mắt người- Thiết bị chỉ thị có thể là dạng chỉ thị kim hoặc chỉ thị số đểbiểu diễn giá trị đo được từ hệ thống cảm biến cặp nhiệt điện

Nguyên tắc hoạt động- Dòng năng lượng bức xạ của đối tượng cần đo nhiệt độ đượcthấu kính hội tụ hướng lên hệ thống cảm biến qua lỗ đục và hệ

22/01/2010


thống kính màu- Hệ thống cặp nhiệt điện thường là 8 cặp nhiệt điện mắc nốitiếp với nhau. Nhiệt độ đầu lạnh bằng nhiệt độ của vỏ hỏa kế.Đầu nóng của nó được đốt nóng bởi nhiệt lượng bức xạ củađối tượng đo nhiệt độ

- Suất điện động này sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ của đối tượngcần đo và nhiệt độ của môi trường tức là nhiệt độ của vỏ hỏakế.- Giá trị chuẩn của nhiệt độ vỏ hỏa kế được thiết kế là 20oC

[ ]08 ( ) ( )E e t e t= −

22/01/2010

1/22/2010



Bù giá trị nhiệt độ môi trườngPhương pháp 1

- Sử dụng hệ thống màn chắn để tạo nên một khoang làm mátnhư hình 2.13. Điều này làm thay đổi dòng năng lượng bức xạchiếu lên tổ hợp cặp nhiệt điện.- Hệ thống màn chắn bao gồm 4 thanh kim loại kép được gắnlên vỏ có khả năng bị uốn cong khi nhiệt độ thay đổi- Khi nhiệt độ môi trường tăng lên, hệ thống màn chắn bị uốncong nên năng lượng bức xạ chiếu lên hệ thống cảm biến cũngtăng lên. Khi đó cả e(t) và e(t0) cũng đều tăng lên. Do đó giá trịE thay đổi không đáng kể

22/01/2010


Phương pháp 2- Sử dụng hệ thống bù điện trở

Hình 2.14: Bù điện trở

- Điện trở bù được chế tạo bằng đồng được lắp sát với vỏ hỏakế nên có nhiệt độ bằng nhiệt độ của môi trường- Điện áp U nhận được không phải là cặp nhiệt điện E

1b

EU rR

=+

E Suất điện động cảm ứng

r Nội trở của cặp nhiệt điện

Rb Điện trở bù tăng/giảm theo nhiệt độ môi trường

22/01/2010

1/22/2010



Một số cải tiến của hỏa kế bức xạ toàn phần

22/01/2010


Một số cải tiến của hỏa kế bức xạ toàn phần

22/01/2010

1/22/2010



Hỏa kế quang họcCấu tạo

22/01/2010


Nguyên tắc hoạt động- Hỏa kế quang học là thiết bị đo nhiệt độ dựa trên cường độbức xạ đơn sắc của đối tượng đo được mô tả bằng định luậtPlank- Hỏa kế quang học được chế tạo để đo nhiệt độ trong khoảng700 đến 8000oC- Nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên tắc đo so sánh cườngđộ bức xạ đơn sắc trong vùng bước sóng quan sát được của đốitượng cần đo nhiệt độ với cường độ bức xạ của dây tóc bóngđèn mẫu- Việc so sánh được thực hiện hoàn toàn bằng mắt người, dovậy kết quả đo có yếu tố chủ quan của người sử dụng

22/01/2010

1/22/2010



Các bức đo- Điều chỉnh thấu kính để mắt người có thể nhìn rõ hình ảnhcủa đối tượng cần đo nhiệt độ- Ấn khóa K để bật đèn, điều chỉnh thị kính để mắt người cũngcó thể nhìn thấyhình ảnh của dây tóc bóng đèn. Kính lọc sắcđỏ có tác dụng đơn sắc hóa chùm tia chiếu vào mắt người quansát. Kính lọc này có thể được bỏ ra khi hệ thống được sử dụngđể đo nhiệt độ có bức xạ không lớn.- Điều chỉnh con trỏ để thay đổi cường độ dòng điện – thay đổicường độ ánh sáng dây tóc bòng đèn sao cho cường độ ánhsáng của dây tóc bóng đèn giống cường độ ánh sáng của vậtcần đo nhiệt độ

22/01/2010


- Cường độ dòng điện lúc đó sẽ tương ứng với nhiệt độ của đốitượng cần đo

Môi trường có nhiệt độ khác Môi trường có nhiệt độnhiệt độ dây tóc bằng nhiệt độ dây tóc

Hình 2.15: Các trường hợp so sánh

22/01/2010

1/22/2010



Độ chính xác của hỏa kế quang học- Độ tin cậy của hỏa kế phụ thuộc rất lớn vào tính ổn định củađèn quang học. Kinh nghiệm chỉ ra rằng dây tóc bằng vônframsẽ giữ được đặc tính cố định trong thời gian dài- Với thang đo 800 đến 1400oC thì sai số là 20oC.- Với thang đo 1200 đến 2000oC thì sai số là 30oC.- Hệ thống đo sử dụng hỏa kế quang học tồn tại nhiều sai sốphụ do cảm quan của mắt người đo, do lượng khói bụi trongmôi trường đo, do độ chính xác độ đen tuyệt đối của đối tượngđo nhiệt độ

22/01/2010


Hỏa kế quang điệnCấu tạo

Hình 2. 16: Hỏa kế quang điện22/01/2010

1/22/2010



Nguyên lý hoạt động- Hỏa kế quang điện là thiết bị đo nhiệt độ tự động dựa trêncường độ bức xạ đơn sắc của đối tượng đo- Trong hỏa kế quang điện, phần tử nhạy sáng được sử dụng làtế bào quang điện hoặc quang điện trở- Phần tử nhạy sáng này có tác dụng chuyển đổi tín hiệu nhiệtđộ do bức xạ nhiệt thành tín hiệu điện và chuyển sang bộ phậnhiển thị nhiệt độ

Phân loại- Nguyên lý đo so sánh- Nguyên lý đo trực tiếp

22/01/2010


Hỏa kế quang điện loại so sánh- So sánh cường độ bức xạ đơn sắc của đối tượng đo vớicường độ bức xạ đơn sắc của dây tóc bóng đèn trong hỏa kế.Nguyên lý này hoàn toàn tương tự hỏa kế quang học- Quá trình so sánh ở đây được thực hiện hoàn toàn tự độngnên loại bỏ được sai số chủ quan do con người

Hỏa kế quang điện loại trực tiếp- Đo trực tiếp cường độ ánh sáng đơn sắc bằng cách sử dụng tếbào quang điện hoặc quang điện trở, chuyển đổi tín hiệu đo từcường độ bức xạ đơn sắc của đối tượng đo thành dòng điệncủa tế bào quang điện hay điện trở của quang điện trở

22/01/2010

1/22/2010


CHƯƠNG 3HỆ THỐNG ĐO ÁP SUẤT

VÀ LƯU LƯỢNG

22/01/2010

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐO ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG

3.1. Khái niệm chung

Áp suất là đại lượng vật lý biểu thị năng lượng tích lũy trong môi trường chất khí hoặc chất lỏngÁp suất là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích

Phân loại- Áp suất tuyệt đối- Áp suất tương đối- Áp suất chân không

22/01/2010

1/22/2010



Đơn vị đo- Pascal (Pa) 1Pa = 1N/m2

- Atmosphere (atm) 1atm = 1Kg/cm2

- 1 bar = 1,02 Kg/cm2

- 1 Pis = 0,07 Kg/cm2

Đơn vị kPa Psi In H20 cmH20 In Hg Mm Hg mBar

kPa 1 0.1450 4.015 10.20 0.2593 7.501 10.00

Psi 6.895 1 27.68 70.31 2.036 51.72 68.95

In H20 0.2491 3.613.10-2 1 2.540 7.355.10-2 1.868 2.491

Cm H20 0.09806 1.422.10-2 0.3937 1 2.896.10-2 0.7355 0.9806

In Hg 3.386 0.4912 13.60 34.53 1 25.40 33.86

Mm Hg 0.1333 1.934.10-2 0.5353 1.360 3.937-10-2 1 1.333

mBar 0.1 0.01450 0.04015 1.020 0.02953 0.7501 122/01/2010


3.2. Các loại vi áp kếÁp kế chữ UCấu tạo- Áp kế chữ U là thiết bị đo áp suất tại

chỗ được sử dụng để đo áp suất dư,áp suất chân không hoặc hiệu ápsuất giữa 2 môi trường

- Cấu tạo của nó gồm 1 ống thủy tinhđược uốn hình chữ U có thang chia độ đảm bảo đọc được cả 2 mức dịch Hình 3.1: Áp kế chữ U

thể ở 2 bên- Đường kính ống không được nhỏ hơn 10mm22/01/2010

1/22/2010



Sử dụng- Áp kế phải được lắp đặt theo phương thẳng đứng- Để đo áp suất dư hoặc áp suất chân không một đầu nối với

môi trường cần đo áp suất, đầu kia thông với khí quyển- Để đo áp hiệu áp suất, 2 đầu của áp kế được nối với 2 môi

trường cần đo hiệu áp suất

Sai số- Thường phụ thuộc vào thang chia độ và do chủ quan của

người đọc kết quả- Khi thang chia độ là 1mm thì sai số đọc được là 2mm

1 2 . .P P P h g ρ= − =h Cột dịch thể chênh lệch giữa 2 mức h=h1+h2 (m)

g Gia tốc trọng trường (m/s2)

ρ Khối lượng riêng chất lỏng trong ống (kg/m3)

22/01/2010


Áp kế chénCấu tạo- Cấu tạo áp kế chén gồm 1 bình hình trụ nối

thông với một ống thủy tinh có 1 thang chia độ

Sử dụng- Áp kế chén được sử dụng để đo áp suất dư

nếu miệng bình được nối thông với môi trường đo còn miệng ống thủy tinh đượcnối thông với khí quyển và đo áp suất chân không thì ngược lại

Hình 3.2 Áp kế chén

22/01/2010

1/22/2010



- Khi đo, mức dịch thể trong ống tăng mức h1 lên còn trong bình giảm xuống mức h2. Chiều cao mức dịch thể sẽ là h = h1 + h2.

- Nếu diện tích bề mặt bình là F2 và tiết diện ống là F1 thìhay

- Khi đó

- Giá trị h thực tế có giá trị gần đúng bằng h1 do đó thực tế ta chỉ cần đọc 1 giá trị h1 trên thang đo

Sai số- Nếu thang chia độ là 1mm thì sai số là ±1mm. - Nếu không có hiệu chỉnh thang chia độ thì sai số là

2 2 1 1. .F h F h= 12 1

2

.Fh hF

=

2

1 2 1 21 dh h h hD

= + = +

d Đường kính ống

D Đường kính bình

2

1 21 dhD

± +

22/01/2010


Vi áp kế nghiêngCấu tạo- Vi áp kế nghiêng có cấu tạo tương

tự áp kế chén, chỉ khác là ống thủytinh có khắc độ có thể quay quanh một trục

Sử dụng- Khi áp suất đo P tăng lên thì dịch thể trong bình giảm xuống

còn dịch thể trong ống thủy tinh tăng lên- Khi đó

Hình 3.3: Vi áp kế nghiêng

1 2 2.sinh h h n hα= + = +22/01/2010

1/22/2010



- Nếu F1 và F2 là thiết diện của ống và bình thì

- Như vậy

- Biểu diễn kết quả đo ta có

Sai số- Sai số phép đo

2 2 1. .F h F n=

11 2

2

sin Fh h h nF

α

= + = +

1

2

sin FP nF

ρ α

= +

ρ Tỷ trọng của dịch thể áp kế kg/m3

n Độ dài cột dịch thể áp kế m

1

2

sin FhF

α

∆ = ± +

22/01/2010


3.3. Hệ thống tự động đo áp suấtHệ thống đo áp suất trong công nghiệp đòi hỏi truyền dẫn tín hiệu đến những nơi cần thiết. Để đáp ứng được yêu cầu này, hệ thống đo áp suất cần có các khối sau

Cảm biến đo nhận tín hiệu áp suất đo P chuyển sang dạng tín hiệu khácChuyển đổi đo chuyển tín hiệu từ cảm biến đo thành tín hiệu điệnChỉ thị đo hiển thị giá trị đo, chỉ thị đo thường đặt ở phòng điều khiển trung tâm

Hình 3.4: Cấu trúc hệ thống đo áp suất tự động

22/01/2010

1/22/2010



Cảm biến đoCảm biến đo áp suất thường được sử dụng nhiều nhất hiện naylà cảm biến đàn hồi.

Nguyên tắc hoạt động- Dưới tác động của áp suất, các vật thể biến dạng sinh ra lực

đàn hồi chống lại tác động của áp suất. Khi 2 lực cân bằng thìquá trình biến dạng kết thúc hình thành mối liên hệ giữa độbiến dạng λ của vật thể đàn hồi và áp suất tác động lên nó.

- Đặc tính tĩnh của cảm biến đàn hồi λ = f(P) có thể là tuyến tínhhoặc là phi tuyến phụ thuộc cấu trúc và hình thức tác động lênnó

22/01/2010


Thông số của cảm biến- Thông số quan trọng để xác định chất lượng làm việc của cảm

biến đàn hồi là độ cứng của nó hay giá trị nghịch đảo của nó là độ nhạy

- Trường hợp đặc tính của cảm biến đàn hồi là phi tuyến thì độ cứng và độ nhạy được xác định

PKλ

=

1SK P

λ= =

K Độ cứng của lò xo

S Độ nhạy của lò xo

P Áp suất

λ Độ biến dạng của lò xo

PKλ

∆=

∆1SK P

λ∆= =

∆22/01/2010

1/22/2010



Lò xo ống một vòng, lò xo nhiều vòng

- Cấu tạo cơ bản của lò xo ống một vòng là ống lò xo có tiếtdiện hình elip hoặc ôvan được uốn tròn với góc ở tâm γ =200÷270o. Trục lớn của hình elip hoặc ôvan vuông góc với bánkính cong của ống lò xo

- Một đầu của ống lò xo được gắn cố định thông với đường dẫnáp suất, đầu còn lại được bịt kín và được nối với thiết bị khác.

Hình 3.5: Các loại lò xo một vòng, lò xo xoắn

22/01/2010


- Dưới tác động của áp suất được dẫn vào trong ống, tiết diệncủa ống sẽ biến dạng từ hình elip chuyển về hướng hình tròn.Do sự biến dạng của tiết diện, để bảo vệ độ dài vốn có, độcong của ống giảm, bán kính ống lò xo tăng lên, đầu tự do củaống di chuyển một khoảng λ.

- Độ nhạy của lò xo ống tăng lên nếu bán kính cong của ốngtăng lên và độ dày của thành ống giảm xuống

- Đặc tính tĩnh của lò xo ống λ = f(P) có thể xem là tuyến tính- Lò xo ống nhiều vòng hoạt động hoàn toàn tương tự như lò xo

ống một vòng. Mục đích của lò xo ống nhiều vòng là tăngcường độ nhạy của cảm biến khi không thể tăng bán kính tròncủa ống

- Trong thực tế, người ta sử dụng chủ yếu là lò xo ống một vòng22/01/2010

1/22/2010



Cảm biến màng đàn hồi- Màng đàn hồi có nhiều loại: màng đàn hồi phẳng, màng đàn

hồi lượn sóng, màng đàn hồi phi kim và màng hộp

- Màng đàn hồi phẳng được chế tạo bằng thép hoặc đồng thau lànhững tấm mỏng hình tròn có độ dài cố định. Dưới tác độngcủa áp suất phân bố đều, màng đàn hồi phẳng được kẹp chặttheo viền sẽ uốn cong. Ở đây tồn tại cản biến dạng kéo và uốn

Hình 3.6: Các loại cảm biến màng đàn hồi

22/01/2010


- Màng đàn hồi dạng lượn sóng được sử dụng nhiều trong côngnghiệp để đo áp suất. Sóng bề mặt có thể có dạng tròn, dạngsin, dạng tam giác, răng cưa,...Tuy nhiên dạng sóng của màngđàn hồi không ảnh hưởng đến tính chất của từng màng. Khinâng cao biên độ của sòng thì độ tuyến tính của màng đàn hồicàng được tăng cao

- Màng hộp đàn hồi hộp được cấu tạo từ 2 màng đàn hồi đượcghép lại với nhau tạo thành hộp kín. Áp suất đo được dẫn vàotrong lòng hộp và tác động lên cả 2 màng và làm cho 2 màngcùng biến dạng. Như vậy, độ nhạy của cảm biến đo sẽ tăng lên.Độ nhạy của cảm biến đo sẽ tăng lên nếu ghép liên tiếp 2 haynhiều màng đàn hồi hộp lại với nhau

22/01/2010

1/22/2010



Hình 3.7: Hiệu áp kế kiểu màng hộp đàn hồi22/01/2010


Bộ chuyển đổi biến áp vi sai- Bộ chuyển đổi điện áp vi sai có

cấu tạo như hình vẽ. Nó bao gồmcuộn sơ cấp 2 và 2 cuộn thứ cấp 3và 4 được cuộn trên ống cách điện 1Các cuộn thứ cấp được mắc xung đối với nhau. Lõi ferit 5 diđộng được và được gắn liên kết với cảm biến đàn hồi

- Cuộn sơ cấp được nối với nguồn xoay chiều tạo ra các điện ápcảm ứng e1 và e2. Giá trị của các điện áp này phụ thuộc vàocường độ dòng điện trong cuộn sơ cấp, tần số dòng điện vàvào các điện cảm tương hỗ M1 và M2.

Hình 3.8: Chuyển đổi vi sai

22/01/2010

1/22/2010



- Điện cảm tương hỗ M = M1 – M2 giữa các cuộn thứ cấp và sơcấp phụ thuộc vào vị trí của lõi ferit

- Giá trị điện áp ra E = e1-e2 được xác định theo công thức

- Giá trị E này phụ thuộc vào vị trí của lõi ferit so với vị trí trunggian

. jN

N

xM M ex

ϕ−=

MN Môdun điện cảm tương hỗ ứng với độ xê dịch tối đa xN của lõi ferit so với vị trí trung gian

x Độ xê dịch của lõi so với vị trí trung tâm

Argument của vecto điện cảm tương hỗϕ

. . . jN

N

xE j I M j I M ex

ϕω ω −= − = − I Cường độ dòng điện cuộn sơ cấp

ω=2Πf Với f là tần số nguồn cung cấp

22/01/2010


Chuyển đổi từ động- Chuyển đổi từ động là bộ

chuyển đổi góc quay sangđiện áp xoay chiều có giátrị định mức

- Cấu tạo của nó bao gồmkhung dẫn từ 1 có vít 2 để hiệu chỉnh từ trở của khung dẫn từCuộn kích từ 3 được nối với nguồn xoay chiều tạo từ trườngxoay tần số 50hz trong khung dẫn từ. Khung dây 4 nằm trongtừ trường xoay có thể xoay quanh trục và được nối liên thôngvới cảm biến đàn hồi. Lò xo 5 nối điện với khung dây.

Hình 3.9: Chuyển đổi từ động

22/01/2010

1/22/2010



- Từ trường xoay chiều sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng trongkhung dây. Sức điện động này phụ thuộc cường độ dòng điệnchạy trong cuộn kích từ, từ trở của khung từ, cấu trúc củakhung dây và góc quay α của khung so với phương nằmngang. Khi giời hạn góc quay của khung dây trong khoảng±20o thì mối liên hệ của E và α được môn tả dưới dạng tuyếntính

với /độ- Có thể mắc thêm 1 cuộn dây xê dịch mà từ trường xoay sẽ tạo

ra điện áp cảm ứng 1V. Điện áp này mắc nối tiếp với điện áp Etạo nên đặc tuyến U = UC + E. Theo giá trị định mức thì khigóc α thay đổi từ -20o đến 20o thì điện áp U sẽ thay đổi từ 0đến 2V

.E K α= 0,05Vα =

22/01/2010


Chỉ thị đo dùng biến áp vi sai

Hình 3.10: Chuyển đổi và chỉ thị đo dùng biến áp vi sai

22/01/2010

1/22/2010



- Hai biến áp B1 và B2 có cấu tạo hoàn toàn giống nhau. B0 làbiến áp để chỉnh không. Công tắc K để kiểm tra thiết bị chỉ thịđo. Khi ấn công tắc K, điện áp U2 sẽ được đưa vào bộ khuếchđại. Tín hiệu ra của bộ khuếch đại sẽ điều chỉnh động cơ Đquay làm quay con cam C xê dịch vị trí lõi ferit trong biến ápvi sai B2 về vị trí trung gian. Khi lõi ferit đạt vị trí trung tâmthì U2 = 0, động cơ dừng lại. Nếu thiết bị chỉ thị bình thườngthì kim đồng hồ phải dừng ở vị trí đánh dấu trên thang chia độ

- Giả sử lõi ferit của biến áp vi sai chỉnh không B0 nằm ở vị trítrung gian. Nếu vị trí của lõi ferit trong B1 và B2 khác nhau thì

22/01/2010


U1≠U2. Giá trị sai lệch này sẽ được khuếch đại lên và động cơsẽ làm quay con cam C, di chuyển lõi của biến áp B2 hướng vềtrạng thái cân bằng của hệ thống tức là U1 = U2

- Như vậy với mỗi vị trí của lõi ferit trong biến áp vi sai B1, hệthống tự động điều chỉnh về một vị trí tương ứng của lõi ferittrong biến áp vi sai B2, tức là một vị trí tương ứng trên thangchia độ.

22/01/2010

1/22/2010



3.4. Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí theo độ giảm áp thay đổi

Nguyên lý làm việc- Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm

biến đo. Tại vị trí thu hẹp, tốc độdòng chảy tăng lên, nghĩa là độngnăng tăng lên làm thế năng giảm xuống. Hai bên thiết bị thu hẹp sẽxuất hiện hiệu áp suất ∆P phụ thuộclưu lượng của dòng chảy

Hình 3.11: Nguyên lý đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi

22/01/2010


- Tại mặt cắt I và II theo định luật Becnuli ta có

- Từ phương trình trên ta có

- Theo định luật bảo toàn vật chất

2 2

2 2I II

I IIv vP Pρ ρ

+ = +PI,PII Áp suất ở mặt cắt I và II (N/m2)

vI, vII Tốc độ của dòng chảy ở mặt cắt I và II (m/s)

ρ Mật độ của dòng chảy (kg/m3)

( )2 2

2I II II IP P P v vρ∆ = − = + −

I I II IIF v F v= FI, FII Tiết diện của dòng chảy ở mặt cắt

22/01/2010

1/22/2010



- Khi đó

- Cuối cùng

- Suy ra

- Lưu lượng của chất lỏng lý tưởng được xác định

0

0

. .II III II II

I I

FF Fv v vF F F

= = F0 Tiết diện của thiết bị thu hẹp

( )2 2 21 .2 IIP m vρ

µ∆ = − m = F0/FI

μ = FII/F0

2 2

2 1. .1

IIv Pmρ µ

= ∆−

0. . .II II IIq v F v Fµ= =

02 2

2. . .1

q F Pmµ

ρµ= ∆

−22/01/2010


- Thực tế không thể đo được hiệu áp suất ∆P bởi vì không thểxác định được chính xác vị trí của các mặt cắt I và II, đồngthời các mặt cắt này thay đổi vị trí khi lưu lượng thay đổi. Vìvậy, giá trị hiệu áp suất được đo ngay trước và sau thiết bị thuhẹp. Ngoài ra, trong điều kiện thực tế cũng tồn tại tổn thất ápsuất δP. Do vậy, cần có thêm một hệ số hiệu chỉnh ζ. Khi đó, tacó

- Các hệ số μ và ζ lại không thể xác định một cách chính xácriêng biệt nên người ta kết hợp thành một hệ số α gọi là hệ sốlưu lượng

(m3/s)

0 1 22 2

2. . .( )1

q F P Pm

µξρµ

= −−

0 1 22. . .( )q F P Pαρ

= −22/01/2010

1/22/2010



Các thiết bị thu hẹp tiêu chuẩn- Tấm lỗ tiêu chuẩn: được sử dụng để

đo lưu lượng trong ống có đường kínhD20 ≥ 50mm với nhiệt độ không quá20oC và chiều dài ống 0,05 ≤ m ≤ 0,7m.

Chiều dày của đĩa không nhỏ hơn 2,5mmvà không lớn hơn 15mm

Tấm lỗ tiêu chuẩn làm dòng chảy đổi hình dáng đột ngột vìvậy tổn thất áp suất do tấm lỗ gây ra tương đối lớn

Hình 3.12: Tấm lỗ tiêu chuẩn

22/01/2010


- Mỏ phun tiêu chuẩn được sử dụng để đolưu lượng trong đường ống có đường kínhD ≥ 50mm với điều kiện 0,05 ≤ m ≤ 0,65m

Đầu vào của mỏ phun phải đảm bảo nốighép trơn với các cung bán kínhr1 = 0,2 d20 và r2 = d20/3. Chiều dài ốngtròn đầu ra bằng 0,3 d20. Chiều dài phần uốn cong đầu vàobằng 0,304 d20. Độ dày b ≤ 0,1 D20

Tổn thất của mỏ phun tiêu chuẩn thấp hơn so với tấm lỗ tiêuchuẩn nhưng chế tạo phức tạp hơn

Hình 3.13: Mỏ phun tiêu chuẩn

22/01/2010

1/22/2010



- Mỏ phun venturi tiêu chuẩn đượcsử dụng để đo lưu lượng trongđường ống có đường kính D ≥ 20mm

với điều kiện 0,05 ≤ m ≤ 0,6mPhần đầu vào có cấu trúc giống hệtmỏ phun tiêu chuẩn.Phần đầu ra gồm đoạn ống hình tròn có chiều dài nằm trongkhoảng 0,2 d20 ≤ l ≤ 0,4 d20 và đoạn ống hình côn với góc cônnằm trong khoảng 5o ≤ φ ≤ 30o . Mỏ phun venturi dài cóđường kính đầu ra bằng đường kính ống côn. Mỏ phun ngắncó chiều dài ống côn không nhỏ hơn đường kính ống dẫnMỏ phun venturi có tổn thất áp suất vô cùng nhỏ

Hình 3.14: Mỏ phun venturi tiêu chuẩn

22/01/2010


- Ống venturi tiêu chuẩn được sửdụng để đo lưu lượng trong ốngđường kính 100 ÷ 800mm vớichiều dài ống 0,2 ≤ m ≤ 0,5.Góc côn φ1 = 21o, đường kínhống nhỏ bằng đường kính thu hẹp. Đoạn giữa là ống thu hẹpcó chiều dài và đường kính d. Ống đầu ra hình côn có góc cônnằm trong khoảng 5o ≤ φ2 ≤ 15o

Để đo hiệu áp suất phải sử dụng 2 hộp xuyến. Hộp xuyếnthông với ống dẫn bằng những lỗ tròn cách đều nhau đườngkính 3÷5mm. Số lỗ thông để cho từng hộp xuyến không ít hơn4

Hình 3.15: Ống venturi tiêu chuẩn

22/01/2010

1/22/2010



Sơ đồ hệ thống

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo lưu lượng

22/01/2010


- Giá trị sai số cơ bản được xác định theo công thức

- Vấn đề phức tạp là sai số δC. Thông thường δC được tính

- Sai số của tổng lượng vật chất được tính

2 2 2q C P Tδ δ δ δ= + +

δC Sai số trung bình bình phương của cảm biến đo

δP Cấp chính xác hiệu áp kế II

δT Cấp chính xác thiết bị chỉ thị III

2 2 214C α ε ρδ δ δ δ= + +

δα Sai số trung bình bình phương của hệ số lưu lượng

δε Sai số trung bình bình phương của hệ số nén

δρ Sai số trung bình bình phương của KL riêng d/chảy

2 2 2 2q C P T Iδ δ δ δ δ= + + + δI Sai số cực đại của bộ tích phân

22/01/2010

1/22/2010



Hình 3.17: Hệ thống đo hiện đại có hiệu chỉnh áp suất và nhiệt độ môi trường đo22/01/2010


3.5. Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí theo độ giảm áp không đổi

Nguyên lý làm việc- Theo kết quả phân tích ở mục 3.4 ta thấy

- Như vậy, nếu tạo ra được thiết bị thay đổi được F khi q thay đổi và đảm bảo được ∆P = const thì ta có mối liên hệ gần như tuyến tính giữa q và F

- Phương trình Becnuli

. .q C F P= ∆

2 2 21 1 2 2

1 22 2 2P v P v vl lg g g g g

ζρ ρ

+ + = + + +

P1P2 Áp suất mặt cắt trên và dưới phao

v1 v2 Tốc độ chảy trung bình trên và dưới phao

l1l2 Chiều cao mặt cắt trên và dưới phao

ζ Hệ số tổn thất áp suất vùng phao

V Tốc độ trung bình ở vòng xuyến22/01/2010

1/22/2010



- Theo định luật liên tục của dòng chảy, ta có

- Thay vào công thức trên

- Đặt

- Lưu lượng của dòng chảy cuối cùng được xác định

1 1 2 2. . .v F v F v F= =

( ) ( )2 2

1 2 22 1

2 1

22

P P F Fg l l vF F

ζρ

− − − = − +

2 1l l l= −2 2

2 1

F FCF F

ζ

= − +

1C

α =

( )1 22. . . 2

P Pq v F F glα

ρ−

= = −

22/01/2010


Cấu trúc rotamet

Hình 3.18: Cấu trúc rotamet22/01/2010

1/22/2010



Hình 3.19: Hệ thống đo lưu lượng dùng rotamet có bộ chuyển đổi sang dòng chuẩn và thiết bị chỉ thị đo

22/01/2010


3.6. Đo lưu lượng chất rắnNguyên lý đo lưu lượng chất rắn

- Chất rắn muốn đo được lưu lượng cần phải được đưa qua hệ thống đo.

- Hệ thống gồm cảm biến đo áp lực chuyển tín hiệu áp lực sang tín hiệu điện

- Bộ khuếch đại đo lường khu ếch đại tín hiệu lên mức cần thiết- Bộ xử lý dữ liệu đo, tính toán cho ta kết quả đo22/01/2010

1/22/2010



Cảm biến trọng lực

Cảm biến từ đàn hồi kiểu cuộn cảm

Cảm biến áp điện

1 Hai bản mạch thạch anh mắc song song

2 Lá đồng

3 Cáp dẫn1 Tấm đệm giấy mỏng

2 Dây dẫn điện trở

3 Đầu nối ra

Điện trở tenzo

Hình 3.20: Các loại cảm biến

22/01/2010


Hệ thống đo lưu lượng chất rắn

Hình 3.21: Hệ thống đo vật liệu rời 22/01/2010

1/22/2010



- Giá trị lưu lượng vận chuyển trên băng tải phụ thuộc 2 yếu tốlà mật độ vật liệu trên băng tải và tốc độ chuyển động củabăng tải

- Để đo được tốc độ băng tải, người ta sử dụng một máy pháttốc (FT) hoặc các bộ giải mã (Encoder). Việc này được thựchiện tương đối dễ dàng

- Vấn đề phức tạp là đo được mật độ vật liệu trên băng tải. Bàitoán được giải quyết bằng cách sử dụng bàn cân loadcell đểchuyển đổi từ áp lực sang tín hiệu điện. Điều khó khăn gặpphải là xác định mối liên hệ định lượng giữa tín hiệu ra củaloadcell và mật độ vật liệu trên băng tải. Điều này chỉ có thểgiải quyết bằng thực nghiệm

.eq q v=qe Mật độ vật liệu trên băng tải (kg/m)

v Vận tốc băng tải (m/s)

22/01/2010

CHƯƠNG 4HỆ THỐNG ĐO NỒNG ĐỘ CHẤT KHÍ

22/01/2010

1/22/2010


CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐO NỒNG ĐỘ CHẤT KHÍ

4.1. Khái niệm chung- Hệ thống đo nồng độ chất khí được sử dụng xác định thành

phần định lượng của chất khí- Các máy này thường được phân chia thành 2 loại là máy xách

tay sử dụng trong các phòng thí nghiệm và máy phân tích khítự động được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau củacông nghệ như kiểm tra chất lượng quá trình cháy của nhiênliệu,...

- Các máy đo nồng độ chất khí thường chia độ theo phần trămthể tích. Phương pháp này có ưu điểm là giá trị này không thayđổi vào nhiệt độ hay áp suất môi trường thay đổi

- Nguyên lý cơ bản của hệ thống là xem xét sự thay đổi của thểtích của 1 mẫu thử sau khi tách 1 thành phần nào đó22/01/2010


4.2. Máy phân tích chất khí bằng nhiệtMáy phân tích khí bằng nhiệt dẫn- Nguyên lý làm việc của máy dựa

vào tính chất dẫn nhiệt của hỗnhợp khí phụ thuộc cơ bản vào hàmlượng của chất khí cần phân tích

- Máy được thiết kế để đo nồng độ các chất CO2, SO2, H2, CH4, Cl2 và một số chất khí có hệ số dẫn nhiệt khác biệt so với các chất khí còn lại

- Điều kiện sử dụng là hỗn hợp khí chỉ có 1 thành phần chính cần phân tích có hệ số dẫn nhiệt khác biệt với các thành phần còn lại, các thành phần còn lại có hệ số nhiệt gần bằng nhau

Hình 4.1: Phân tích khí bằng nhiệt dẫn

22/01/2010

1/22/2010



- Bảng hệ số dẫn nhiệt của một số chất khí so với hệ số dẫn nhiệt của không khí

Chất khí λC/λKK Chất khí λC/λKK

N2 0,998 CO2 0,614

NH3 0,897 O2 1,015

H2 7,13 CH4 1,318

SO2 0,344 CO 0,064

Hơi nước 100oC 0,973 H2S 0,358

22/01/2010


- Nhiệt độ tốt nhất để phân tích thành phần chất khí là từ 80oCđến 100oC

- Cảm biến và chuyển đổi đo có cấu tạo theo nguyên lý cầu điệntrở. Các điện trở R1, R2, R3 và R4 được chế tạo bằng platinmảnh đường kính 0,02÷0,04mm với giá trị từ 10 ÷ 40Ω. R2 vàR4 ở trong bình kín điền đầy chất khí để so sánh.

- Cầu được nuôi bằng một dòng cố định từ nguồn ổn dòngNOD. Khi dẫn không khí đi vào bình R1 và R3, do cả 4 bìnhđều là không khí nên cầu cân bằng Uab = 0. Nếu có sự mất cânbằng, ta có thể hiệu chỉnh bởi điện trở R có giá trị khoảng0,15Ω

22/01/2010

1/22/2010



- Khi dẫn dòng khí cần phân tích vào bình chứa điện trở R1 vàR3, do hỗn hợp thành phần chất khí có hệ số dẫn nhiệt khácvới không khí nhiều nên nhiệt lượng truyền ra từ R1 và R3 ramôi trường xung quanh khác với nhiệt lượng từ R2 và R4truyền ra. Điều này làm cầu mất cân bằng.

- Giá trị điện áp được tính

- Do giá trị của R1 và R3 phụ thuộc nồng độ chất khí cần phântích trong hỗn hợp chất khí nên giá trị điện áp Uab là đại lượngbiểu thị nồng độ chất khí

2abIU R= ∆ I Giá trị nguồn dòng không đổi của NOD

22/01/2010


Hình 4.2: Máy phân tích khí điện nhiệt dẫn kiểu so sánh22/01/2010

1/22/2010



Máy phân tích khí nhiệt hóa- Nguyên lý hoạt động của máy là dựa

trên năng lượng sản sinh ra do phảnứng xúc tác giữa oxy và thành phầnkhí cháy

- Máy phân tích khí nhiệt hóa có 2 loại chính: loại thứ nhất phản ứng nhiệt hóa cháy trên bề mặt cảm biến đo có phủ lớp xúc tác. Loại thứ 2 dùng cảm biến đo nhiệt độ (thường là nhiệt kế điện trở bạch kim) để đo nhiệt độ hỗn hợp khí sau khi hỗn hợp này đã đi qua chất xúc tác

Hình 4.3: Máy phân tích nhiệt hóa

22/01/2010


- Cấu tạo cơ bản của máy là một cầu điện trở không cân bằngkhi có phản ứng xúc tác. Nhánh R1 và R2 là các nhiệt điện trở,còn nhánh R3 và R4 là điện trở maganin. Điện trở R1 được phủmột lớp chất xúc tác. Cầu được nuôi bởi nguồn áp NOA

- Các điện trở R1 và R2 được đốt nóng đến nhiệt độ của phảnứng xúc tác. Khi chưa có phản ứng xảy ra, cầu cân bắng tức làUab = 0.

- Khi có phản ứng xảy ra, nhiệt độ của R1 sẽ khác R2 làm cầumất cân bằng. Điện áp Uab sẽ tỉ lệ với hiệu nhiệt độ trên R1 vàR2, nghĩa là tỉ lệ với hiệu ứng nhiệt do phản ứng xúc tác.

- Giá trị điện áp Uab chính là đại lượng xác định hàm lượng củachất khí phân tích trong hỗn hợp chất khí

22/01/2010

1/22/2010



Hình 4.4: Máy phân tích nhiệt hóa nguyên lý cầu cân bằng

22/01/2010


4.3. Máy phân tích khí bằng từNguyên lý hoạt động- Chất khí thường được đặc trưng bằng giá trị độ nhạy cảm từ

khối. Tất cả các chất khí được chia thành chất khí có tính chấttừ thuận hoặc từ nghịch.

- Có 4 loại máy phân tích khí bằng từ cơ bản- Máy phân tích khí nhiệt từ- Máy phân tích khí từ nhiệt điện dẫn- Máy phân tích khí từ nhớt kế- Máy phân tích khí từ cơ

22/01/2010

1/22/2010



Máy phân tích khí nhiệt từ

Hình 4.5: Cấu tạo các buồng đo

1 Đường ống dẫn khí 3 Cảm biến đo

2 Buồng đốt 4 Nam châm vĩnh cửu

22/01/2010


- Nguyên lý làm việc của nó dựa trên hiện tượng đối lưu nhiệttừ. Hiện tượng này như sau: nếu trong từ trường của một namchâm vĩnh cửu đặt một sợi đốt và cho dòng khí có chứa oxy đigần từ trường thì oxy sẽ bị hút vào từ trường. Trong từ trường,oxy sẽ bị đốt nóng, độ nhạy cảm từ của nó giảm xuống. Oxylạnh có độ nhạy cảm từ cao hơn sẽ tràn vào từ trường đẩy oxynóng ra tạo thành dòng oxy chảy qua từ trường làm nhiệt độsợi đốt giảm xuống. Dòng oxy chảy qua từ trường được gọi làdòng đối lưu từ nhiệt

- Các điện trở R1 và R2 trong buồng đốt được lắp thành mạchcầu với các điện trở maganin R3 và R4. Cầu được cấp nguồn từbộ chỉnh lưu ổn áp NCO. Điện áp mất cân bằng Uab được đưasang thiết bị chỉ thị đo CTĐ

22/01/2010

1/22/2010



- Khi trong hỗn hợp không có oxy thìkhông có dòng đối lưu nhiệt từ. Cácđiện trở R1 và R2 sẽ có cùng giá trịvì có cùng nhiệt độ, cầu cân bằng.

- Khi trong hỗn hợp có oxy, xuất hiệndòng đối lưu nhiệt chảy từ R1 sang R2

làm cho 2 nhiệt độ này khác nhau,R1 ≠ R2, xuất hiện điện áp Uab

- Hàm lượng oxy càng lớn, đối lưu càngmạnh, cầu càng mất cân bằng, Uab

càng lớnHình 4.6: Máy phân tích khí nhiệt từ với buồng đốt hình khuyên

22/01/2010


4.4. Máy phân tích khí hấp thụ quang họcNguyên lý hoạt động- Tất cả các chất khí mà phân tử của nó bao gồm 2 nguyên tố trở

lên đều có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại. Tuy nhiên, mỗichất khí chỉ hấp thụ những giải sóng nhất định của vùng tiahồng ngoại. Chính sự khác nhaucủa các giải sóng hấp thụ của cácchất khí cho phép sử dụng đểtiến hành đo hàm lượng của mộtchất khí nhất định trong hỗn hợp

Hình 4.7 Phổ hấp thụ của CO, CO2 và CH422/01/2010

1/22/2010



Cấu tạo của hệ thống gồm- Bộ nguồn phát hồng ngoại 3- Màn chắn 4 có 2 lỗ, quay bởi động cơ

5 với vận tốc 3 vòng/s, tạo thành các xung tần số 6Hz

- Tia hồng ngoại đi qua buồng chứa khí7 chứa khí cần phân tích, xuyên quanó vào buồng phân tích 1

- Tại buồng phân tích 1, phần xung hồngngoại sẽ đốt nóng buồng 1 bởi các xungnhiệt độ, tạo thành các xung áp suất

- Cảm biến áp suất 6 tạo ra tín hiệu điện, được khuếch đại và chỉ thị bởi bộ khuếch đại 8 và bộ chỉ thị 9

Hình 4.8: Máy phân tích khí quang âm một kênh

22/01/2010


Hoạt động- Khi hỗn hợp không khí không có chất khí cần đo thì năng

lượng hồng ngoại mà chất khí cần đo hấp thụ sẽ hoàn toàn điqua buồng phân tích và được hấp thụ hoàn toàn. Như vậy, tínhiệu nhận được có biên độ lớn nhất

- Khi hỗn hợp có chất khí cần phân tích, năng lượng sẽ bị hấpthu được tính gần đúng

- Phần năng lượng suy giảm này sẽ được khuếch đại và được chỉthị bởi bộ chỉ thị 9

( )0 0 0 0. 1KCx KCxI I I I I e I eλ λ λ λ λ− −∆ = − = − = −

K Hệ số hấp thụ đặc trưng của chất khí và bước sóng hấp thụ

C Hàm lượng thể tích chất khí

X Độ dày lớp khí hấp thụ

I0λIλ Cường độ bức xạ đơn sắc trước và sau buồng phân tích

22/01/2010

1/22/2010



Máy phân tích quang âm 2 kênh- Thực hiện phép đo theo phương

pháp so sánh- Nguồn bức xạ hồng ngoại là các

lò xo được nuôi bởi nguồn ổn áp.Hai lò xo làm bằng nicrom được đốt nòng đến 700÷800oC

- Gương phản xạ 2 sẽ tạo ra 2 luồngánh sáng hồng ngoại.

- Chỉ thị 11 sẽ hiển thị độ chênh lệch ∆φ được KĐ bởi 10 Hình 4.9: Máy phân tích quang âm 2 kênh

22/01/2010


Vài thông tin thêm- Máy phân tích quang âm được sử dụng để đo nồng độ các chất

khí CO, CO2, CH4

- Với cấu tạo hoàn toàn tương tự, máy phân tích hấp thụ tia cựctím được sử dụng để đo các khí như Cl2, Benzen, Ôzon, hơithủy ngân

- Máy phân tích khí hấp thụ ánh sáng nhìn thấy được được sửdụng để đo vi lượng của O3, H2S, SO2, NO, NO2,...

- Cấp chính xác của các máy này thường là 2,5 đến 4

22/01/2010

Documents

Do Luong Cong Nghiep