›
›

Bài giảng Đo lường và tự động hóa - Chương 5: Đo lường trong hệ thống tự động hóa (Phần 1) - ĐH Bách khoa Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

5.1 Khái niệm về đo lường
5.2 Cảm biến
5.3 Bộ phận chấp hành
5.4 Chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC)
5.5 Chuyển đổi tín hiệu số - tương tự (DAC)
5.6 Các thiết bị độc lập đầu vào và đầu ra của hệ
thống
pdf 84 trang xuanthi 24/12/2022 4500
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Đo lường và tự động hóa - Chương 5: Đo lường trong hệ thống tự động hóa (Phần 1) - ĐH Bách khoa Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_do_luong_va_tu_dong_hoa_chuong_5_do_luong_trong_he.pdf

Nội dung text: Bài giảng Đo lường và tự động hóa - Chương 5: Đo lường trong hệ thống tự động hóa (Phần 1) - ĐH Bách khoa Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

  1. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG a) Định nghĩa b) Phân loại cảm biến c) Chuẩn cảm biến d) Độ nhạy, độ tuyến tính e) Thời gian hồi đáp 2 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  2. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.1 Khái niệm về đo lường c. Chuẩn cảm biến  Chuẩn đơn giản Ví dụ: đo tốc độ động cơ bằng encoder  Chuẩn nhiều lần Ví dụ: đo mức chất lỏng bằng cảm biến tụ điện, điện dung phụ thuộc vào chiều cao chất lỏng, hằng số điện môi d. Độ nhạy Ví dụ: / 0C đối với nhiệt điện trở VC/ 0 đối với cặp nhiệt 4 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  3. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN Các thiết bị đo lường thường sử dụng trong hệ thống tự động hóa 6 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  4. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN Các thiết bị đo lường thường sử dụng trong hệ thống tự động hóa 8 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  5. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.1. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) Hiệu ứng này được phát hiện đầu tiên bởi Lord Kelvin vào năm 1856, tuy nhiên mãi đến 75 năm sau mới đưa vào ứng dụng đầu tiên. Đó là bộ đo biến dạng (strain gauge) 10 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  6. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.1. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) Độ nhạy: của đầu đo biến dạng thường được gọi là “hệ số đầu đo”. Đây là số không thứ nguyên: R R GF R R L L  Khi chịu tác động ngoại lực, các phần tử cảm nhận phải nằm trong vùng đàn hồi & tuân theo định luật Hooke. Mối quan hệ giữa ứng suất (N/m2) và biến dạng  tuân theo định luật Hooke và module đàn hồi Young cho như sau:  N E  2   m Ví dụ: ESi = 190GPa; Estainless steel = 200GPa 12 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  7. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.1. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) Khảo sát sự thay đổi điện trở của thanh khi bị biến dạng: Điện trở trước khi tác dụng lực của khối vật liệu trên được cho như sau: .l R A : điện trở suất của vật liệu (.cm) l : chiều dài (cm) A : diện tích mặt cắt ngang (với w: chiều rộng; t: chiều dày) Công thức dạng khác, .l R w.t 14 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  8. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.1. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) dl Theo định nghĩa, ta có công thức biến dạng:  l l Giả thiết các thông số trên thay đổi một lượng rất nhỏ, do vậy: dl l,dw w,dt t dw dt  . ;  . ( ) w w l t t l Ghi chú: Công thức trên có dấu “ “ - ” vì thanh bị biến dạng co lại theo chiều ngang ngược với biến dạng căng theo chiều dọc Từ (*) và ( ), ta được: dR d  . . R l l l 16 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  9. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.1. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) Cảm biến xác định biến dạng dựa vào sự thay đổi điện trở gọi là strain gauge. Vật liệu làm đầu dò khác nhau cho hệ số đầu đo khác nhau: Sự thay đổi điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ: 18 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  10. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.1. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) Trường hợp: điện áp output V0 0 Vậy: Chúng ta biết rằng: V0 0 là do điện trở R1 của strain gauge có sự thay đổi. Như vậy ta có thể thay V0 = V và R1 = R1 + R1 vào biểu thức trên, cụ thể như sau: 20  (3) LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  11. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.1. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) Trường hợp: điện áp output V0 0 Hệ số đầu đo GF là: (5) Từ (4) & (5), ta được: Độ nhạy S của cảm biến sử dụng cầu WheatStone để xác định biến dạng được cho như sau: 22 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  12. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Hiệu ứng áp điện (piezoelectric) Khi khối vật liệu áp điện chịu tác dụng bởi 1 lực cơ học thì giữa 2 bản cực của nó sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Hoặc, khối vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng khi áp vào 2 bản cực của nó một hiệu điện thế tương ứng. Hình 1: Áp vào hai bản cực vật liệu Hình 2: Khối vật liệu áp điện chịu áp điện một hiệu điện thế tác dụng của một áp lực 24 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  13. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Hiệu ứng áp điện (piezoresistivity) 2. Tính chất Trên nhiệt độ Curie (nhiệt độ tới hạn): tinh thể Perovskite trong vật liệu áp điện có cấu trúc lập phương đối xứng (momen lưỡng cực bằng 0) Dưới nhiệt độ Curie: tinh thể Perovskite cấu trúc tứ giác đối xứng và có monen lưỡng cực khác 0. Hình 4: Cấu trúc tinh thể Perovskite của vật liệu áp điện (a) Cấu trúc vật liệu áp điện ở trên nhiệt độ Curie 26 (b) Cấu trúc vật liệu áp điện ở dưới nhiệt độ Curie LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  14. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Hiệu ứng áp điện 1. Hằng số điện tích áp điện, d Định nghĩa: là sự phân cực tạo ra bởi một đơn vị ứng suất tác động lên một khối vật liệu áp điện; hay là một biến dạng của khối vật liệu áp điện khi một đơn vị điện trường đặt vào khối vật liệu áp điện đó i : chiều của sự phân cực tạo ra trong vật liệu hay chiều của điện trường áp vào. j: chiều của ứng suất áp vào hay chiều của chuyển vị được tạo ra. 28 Ví dụ: d33; d15 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  15. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Hiệu ứng áp điện Khi khối vật liệu áp điện chịu tác dụng một áp lực như trên thì điện tích hình thành trên bề mặt khối vật liệu áp điện được tính như sau: Q33 = d33F3 Như vậy, điện áp sinh ra từ khối vật liệu áp điện hình chữ nhật có diện tích mặt A, độ dày h và hằng số điện môi r được cho như sau: Q V 33 r C Hình 7: Phần tử cảm nhận bằng   A vật liệu áp điện trong đó: điên dung C 0 r h 30 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  16. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistivity) Ví dụ: Một khối vật liệu áp điện có kích thước: 10x10(mm), dày 1mm có: d33 = 600pC/N; r =3000. Khi tác dụng 1 lực F3 = 100N thì điện áp sinh ra giữa 2 bản cực là bao nhiêu? Giải: pC 600 .100N.1.10 3m Q d F h N V 33 33 3 r 2 C  0 r A 12 C 6 2 8,854.10 2 .3000.10.10.10 m  N.m Vr 22,6V 32 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  17. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Hiệu ứng áp điện Bảng tra độ nhạy điện thế Sv & độ nhạy điện tích Sq của vật liệu áp điện: Vật liệu Hướng tác động Sq (pC/N) Sv (V.m/N) Quartz SiO2 Theo chiều X 2.2 0.055 BaTiO3 Theo hướng phân cực 130 0.011 34 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  18. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Kỹ thuật điện dung (a) (b) (c) Trường hợp 01: (hình (a)) Điện cực bên dưới cố định; điện cực bên trên di động. Khoảng cách d thay đổi dẫn đến sự thay đổi điện dung của tụ điện C. Sự thay đổi khoảng cách d với điện dung C là không tuyến tính. Trường hợp 02: (hình (b)) Khoảng cách giữa 02 bản cực không đổi; diện tích giao giữa 02 bản cực thay đổi. Sự thay đổi diện tích A với điện dung C là tuyến tính. Trường hợp 03: (hình (c)) Khoảng cách giữa 02 bản cực và diện tích giao giữa 02 bản cực là không đổi; hằng số điện môi r giữa 02 bản cực thay đổi. 36 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  19. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Kỹ thuật điện dung Kết luận: Từ công thức trên ta thấy sự biến đổi ( C/C) theo ( d/d) là không tuyến tính do có sự xuất hiện của ( d/d) trong mẫu số. Để tránh sự khó khăn trong việc sử dụng cảm biến điện dung với tín hiệu ra không tuyến tính, ta sẽ xác định sự thay đổi trở kháng của tụ điện theo sự dịch chuyển khoảng cách giữa 02 bản cực. Công thức tính trở kháng của tụ điện: 38 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  20. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Kỹ thuật điện dung Trong đó: Như vậy: 40 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  21. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Kỹ thuật điện dung Độ nhạy: Độ nhạy có thể được cải thiện bằng cách: - Giảm diện tích A của đầu đo. - Giảm tần số . Tuy nhiên phải phụ thuộc vào khả năng đáp ứng của thiết bị Kết luận: - Biến thiên điện dung là hàm tuyến tính khi diện tích của bản cực & hằng số điện môi thay đổi; phi tuyến khi khoảng cách giữa 02 bản cực thay đổi. - Biến thiên dung kháng của tụ điện là hàm tuyến tính khi khoảng cách khoảng cách giữa 02 bản cực thay đổi & phi tuyến khi diện tích bản cực & hằng số điện môi thay đổi. 42 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  22. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.2 CẢM BIẾN 5.2.2. Kỹ thuật điện dung Khi điện dung thay đổi thì trở kháng cũng thay đổi: 44 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  23. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.3 CẢM BIẾN LỰC 5.3.1. Đo lực kiểu treo Khảo sát lại cầu Wheatstone như hình vẽ: Điều kiện về dòng điện: (1) Điều kiện về điện áp khi chưa hoạt động: Vo = 0 V0 = 0  VA = VB; I1R1 = I4R4 (2) (1)&(2)  , hay Vậy: 46 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  24. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.3 CẢM BIẾN LỰC 5.3.1. Đo lực kiểu treo Khi 1 lực P tác dụng lên phần tử đo lực thì mặt 1; 2; 3; 4 của phần tử tải đều bị biến dạng. Mặt 1, 3: biến dạng theo chiều dọc a ; mặt 2, 4 biến dạng theo chiều ngang t (6) - Hệ số Poisson: - A: diện tích mặt cắt ngang - E: module đàn hồi của vật liệu làm phần tử đo tải Theo nguyên tắc áp điện trở đã nghiên cứu trước thì khi có một lực P tác dụng đáp ứng của các phần tử đo như sau: (7) 48 (8) LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  25. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.3 CẢM BIẾN LỰC 5.3.1. Đo lực kiểu treo Độ nhạy: - Độ nhạy của đầu dò lực: (12) - Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy S: 1. Diện tích mặt cắt ngang A của phần tử đo tải 2. Hằng số đàn hồi của vật liệu làm phần tử đo tải + Module đàn hồi E + Hệ số Poisson  3. Hệ số đầu đo GF. 4. Điện áp cung cấp cho cầu Wheatstone Vs Khả năng đo của đầu đo lực: phụ thuộc vào độ bền mỏi của vật liệu Sf và diện tích mặt cắt ngang A. (13) Pmax =Sf.A 50 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  26. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.3 CẢM BIẾN LỰC 5.3.1. Đo lực kiểu treo Từ công thức (10), (16) Thay (16) vào (15), ta được: Như vậy, ta xác định được giá trị lực tác dụng: (15) 52 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  27. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.3 CẢM BIẾN LỰC 5.3.2. Đo lực kiểu dầm Thay (2) vào (5) & R1=R2 xác định được điện áp ra: (3) Và lực ta đo được là: (4) Độ nhạy: (5) Như vậy, độ nhạy phụ thuộc: 1. Hình dạng của dầm đo: b, h 2. Module đàn hồi E 3. Vị trí tác dụng lực lên dầm, x 4. Hệ số đầu đo của cảm biến biến dạng GF 5. Điện áp cung cấp cho cầu Wheatstone, Vs 54 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  28. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.4 ĐO MOMENT XOẮN Ứng suất cắt [N/cm2]xuất hiện trên trục tỷ lệ với momen xoắn T [cm.N], xác định bởi công thức: (1) D: đường kính trục [cm] J: moment quán tính phân cực của mặt cắt ngang hình tròn [cm4] Khi thanh bị xoắn, ứng suất theo các trục x, y, z là: (2) Ứng suất cắt là: (3) 56 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  29. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.4 ĐO MOMENT XOẮN Độ nhạy: (8) Độ nhạy phụ thuộc: - Đường kính trục, D - Vật liệu làm trục, E;  - Hệ số đầu đo, GF - Điện áp cung cấp cho cầu Wheatstone Giới hạn: Giới hạn của đầu đo moment xoắn phụ thuộc vào ứng suất cắt cho phép S của trục đo: (9) Từ (7) & (9), ta được: 58 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  30. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.1. Tổng quan a. Lưu lượng và đơn vị đo Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ống trong một đơn vị thời gian.  Lưu lượng thể tích (thể tích/ thời gian – [m3/s])  Lưu lượng khối (khối lượng/ thời gian – [kg/s]) Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian t = t1 – t2 : V Q tb t Lưu lượng tức thời: dV Q dt 60 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  31. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.2. Ứng dụng a. Lưu lượng kế cầm tay - Đo lưu lượng nước trong ngành cấp thoát nước, trạm bơm, trạm đo (nước uống và nước thải) - Đo lưu lượng của các sản phẩm dầu: dầu thô, sản phẩm hóa dầu, các quá trình trong công nghiệp chế biến thực phẩm và hóa chất. b. Lưu lượng kế cố định - Đo lưu lượng của tất cả các loại nước: trên hệ thống ống cấp, thoát nước (nước uống và nước thải) - Đo lưu lượng của các sản phẩm dầu: dầu thô, sản phẩm hóa dầu, lưu chất trong các quá trình trong công nghiệp chế biến thực phẩm và hóa dầu 62 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  32. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.2. Ứng dụng e. Lưu lượng kế ứng dụng trong hệ thống điều khiển lưu chất Hệ thống chiết rót lưu chất đóng chai Hệ thống cung cấp O2 cho hệ 64 LTA_ Đo lường & tựthống động hóa xử (2155147) lý chất thải Hệ thống cung cấp khí cho buồng đốt
  33. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.3. Lưu lượng kế dựa vào phương pháp đo thể tích trực tiếp Các phương pháp đo số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện: - Dùng tốc độ kế quang. - Dùng nam châm nhỏ gắn trên trục quay của lưu lượng kế, khi nam châm đi qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện. - Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp. 5.5.4. Đo lưu lượng dựa vào tốc độ dòng chảy 1: Bộ chỉnh dòng chảy; 2: Tuabin; 3: Bộ truyền bánh răng trục vít; 66 4: Thiết bị đếm LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  34. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Đo lưu lượng dựa vào sự chênh lệch áp suất Phương pháp đo lưu lượng dựa vào sự chênh áp suất được dùng khá phổ biến. Q = V1.A1 = V2.A2 Phương trình Bernoulli 2 2 p1+( /2).(V1) = p2+( /2).(V2) = const Theo phương trình năng lượng Bernoulli, năng lượng của một dòng chảy gồm năng lượng tĩnh(áp suất) và động năng (vận tốc) là một hằng số. Khi vận tốc tăng, áp suất tĩnh lập tức bị giảm đi. Sự giảm áp suất hay hiệu áp p là thước đo cho lưu lượng Q: 2 2 p = p1 – p2 = ( /2)(V2 – V1 ) 68 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  35. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Đo lưu lượng dựa vào dòng chảy xoáy - Đo lưu lượng bằng dòng xoáy dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất. Các vòng xoáy của lưu chất xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn trôi đi. - Hiện tượng này được Leonardo da Vinci và Strouhal ghi nhận năm 1878: một sợi dây nằm trong dòng lưu chất chuyển động có sự rung động như một dây đàn. Sự dao động này tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với đường kính sợi dây. - Và Karman đã phát hiện ra nguyên nhân của dao động này là do sự sinh ra và biến mất của các dòng xoáy bên cạnh vật cản. 70 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  36. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Đo lưu lượng dựa vào dòng chảy xoáy Nguyên lý Karman:Tần số xoáy Karman tỉ lệ với vận tốc dòng chảy: v f St d Với f : tần số xoáy karman; St: Hệ số Strouhal; v: vận tốc dòng chảy; d : chiều rộng vật cản. Theo thực nghiệm nếu dòng chảy có 30.000<Re< 150.000 thì 0.2 ≤ St ≤ 0.21. Như vậy, ta có thể đo tốc độ dòng bằng cách đo tần số xoáy Karman Trong điều kiện hằng số St không phụ thuộc vào trị số Re ta có thể tính lưu lượng chất lưu như sau: A d f Q A v St 72 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  37. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Đo lưu lượng dựa vào dòng chảy xoáy Đặc điểm của phương pháp đo dòng chảy xoáy: Mối quan hệ giữa đại lượng đo và đại lượng hiển thị tuyến tính và không thay đổi theo thời gian hoạt động của lưu lượng kế.  Sai số phép đo bé.  Giá trị đo không phụ thuộc vào các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy. Chỉ cần hiệu chỉnh một lần duy nhất trước khi đưa lưu lượng kế vào hoạt động, sau đó không cần hiệu chỉnh lại với các loại lưu chất khác.  Các yếu tố cần quan tâm khi sử dụng lưu lượng kế kiểu xoáy là: cách lắp đặt, nhiệt độ lưu chất, tỉ trọng và độ nhớt của lưu chất, các yếu tố nhiễu do rung động 74 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  38. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Đo lưu lượng dựa vào dòng chảy xoáy Các quy định về lắp đặt lưu lượng kế dòng xoáy - Việc lắp đặt các điểm đo áp suất và nhiệt độ trên cùng một đường ống với lưu lượng kế có quy định về khoảng cách -Không đo những chất lỏng có chứa cả các chất rắn như cát, sỏi loại bỏ định kỳ các vật rắn bám vào thanh chắn. 76 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  39. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Đo lưu lượng dựa vào dòng chảy xoáy Các quy định về lắp đặt lưu lượng kế dòng xoáy Để đo được chính xác lưu lượng của lưu chất thì yêu cầu phải đo với những đường ống luôn đầy 78 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  40. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Đo lưu lượng dựa vào dòng chảy xoáy Các quy định về lắp đặt lưu lượng kế dòng xoáy - Không lắp đặt lưu lượng kế trong môi trường có nhiệt độ thay đổi đột ngột - Trong một môi trường có các thiết bị phát nhiệt nóng thì phải lắp đặt lưu lượng kế ở chỗ có thông gió. Không lắp đặt lưu lượng kế trong môi trường dễ bị ăn mòn. - Không được cho lưu lượng kế vào trong bất kỳ một chất lỏng nào. - Nên lắp đặt lưu lượng kế trong những môi trường hạn chế thấp nhất mức va chạm và chấn động. 80 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  41. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Lưu lượng kế khối nhiệt a. Nguyên tắc hoạt động - Khi lưu lượng bằng không, sự đun nóng đối xứng T1=T2; khi có lưu lượng, T1 giảm T2 tăng, độ sai biệt: ΔT = T2 – T1 tỉ lệ với lưu lượng Q cần đo. - Những cảm biến đo nhiệt độ có thể là hai cặp nhiệt điện, hoặc hai nhiệt điện trở được mắc vào hai nhánh của cầu đo Wheastone với hai điện trở cố định khác được mắc trong hai nhánh còn lại của cầu, điện áp không cân 82 bằng chính là tín hiệu đo. LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)
  42. Chương 5: ĐO LƯỜNG TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA 5.5 CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 5.5.5. Lưu lượng kế khối nhiệt a. Nguyên tắc hoạt động Cách khác: Dùng công nghệ phân tán nhiệt - Dùng một dòng cố định để cung cấp nhiệt lượng cho đầu đo nhiệt chủ động - Đầu đo tham chiếu sẽ đo nhiệt độ của dòng môi chất làm giá trị tham chiếu. - Khi tốc độ dòng môi chất tăng lên thì đầu đo nhiệt chủ động sẽ được làm mát ΔT giảm ΔR và ΔU đầu ra giảm lưu lượng của môi chất. 84 LTA_ Đo lường & tự động hóa (2155147)