Xem mẫu
- KHOA CÔNG NGH ðI N T
N I DUNG MÔN H C
K THU T C M BI N VÀ ðO LƯ NG • KHÁI NI M CHUNG
Chương 5: C M BI N L C VÀ • C M BI N TI M C N
ÁP SU T • C M BI N QUANG
• C M BI N V TRÍ VÀ KHO NG CÁCH
Biên so n: ThS. Tr n Văn Hùng • C M BI N L C VÀ ÁP SU T
03-2012 • C M BI N NHI T ð
2:56 PM 1 2:56 PM 2
N I DUNG CHƯƠNG 5 5.1 KHÁI NI M
5.1 Khái ni m
5.2 C m bi n l c (Force sensor)
5.3 C m bi n lưu lư ng (Flowmeters
sensor)
5.4 C m bi n áp su t (Pressure
sensor)
2:56 PM 3 2:56 PM 4
1
- 5.1 KHÁI NI M 5.1 KHÁI NI M
Khi dây d n ch u bi n d ng cơ khí thì ñi n Chuy n ñ i ñi n tr ki u này ñư c chia
tr c a nó cũng thay ñ i. Hi n tư ng ñó làm 3 lo i:
Chuy n ñ i ñi n tr l c căng dây
g i là hi u ng tenzo. Chuy n ñ i ñi n tr m nh
làm vi c d a trên hi u ng này ñư c g i là Chuy n ñ i ñi n tr l c căng lá
chuy n ñ i ñi n tr tenzo hay chuy n ñ i m ng
Chuy n ñ i ñi n tr l c căng màng
ñi n tr l c căng. m ng
2:56 PM 5 2:56 PM 6
5.1 KHÁI NI M 5.2 C M BI N L C
FORCE SENSOR
Lo i c m bi n này có 3 thông s chính:
Kích thư c c a ñ
Giá tr ñi n tr c a c m bi n
Dòng ñi n t i ña cho phép
2:56 PM 7 2:56 PM 8
2
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Phân lo i: có ba lo i chính C m
C m bi n l c căng lo i không dán bi n
(unbonded) l c
C m bi n l c căng dán (bonded)
C m bi n l c căng lo i bán d n
2:56 PM 9 2:56 PM 10
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Tóm t t:
C m • Kh o sát ho t ñ ng c a strain gause.
gause.
bi n
• Trình bày các d ng strain gause.
gause.
l c
• Các m ch c u chuy n ñ i tín hi u.
u.
• Các ng d ng.
ng.
2:56 PM 11 2:56 PM 12
3
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Tóm t t: ði n tr c a dây d n:
• D a trên s thay ñ i ñi n tr c a dây d n • “strain gauge” ñơn gi n là m t dây d n như hình
sau:
ho c ch t bán d n khi nó b bi n d ng.
• S d ng ñ ño s co - gi n khi v t th b
nén l i ho c kéo căng ra.
ði n tr c a dây d n :
• Có nhi u ng d ng như là ño l c, áp su t,
ρ : ði n tr su t
gia t c.
2:56 PM 13 2:56 PM 14
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
dR dl
C u t o c a strain gauge: • K t qu : = [1 + 2ν + C (1 − 2ν )] Hay dR
=G
dl
R l R l
M t s i dây d n n i 2 ñi m
- G: H s l c căng - guage factor: 2.0-4.5 v i kim lo i
2.0-
- ði n tr v t d n : >150 v i bán d n
- L c căng d c tr c - axial strain : εa =dl/l
- Khi v t d n ch u l c kéo: - L c căng vuông góc - transverse strain :
dR dρ dl dA εt=-v* εa = - v * dl/l
t=-
= + −
R ρ l A K t lu n : có th dùng c u Wheatstone ñ ño s thay ñ i
dρ CdV dl dA − 2νdl
= = C (1 − 2ν ) = ñi n tr c a c m bi n ⇒ l c căng
ρ V l A l
V: h s Poisson C: h s Brigman
2:56 PM 15 2:56 PM 16
4
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Khi có l c tác ñ ng vào thì strain gauge s b thay
ñ v hình d ng, d n t i ñi n tr thay ñ i.
ð gi n n :
ði n tr thay ñ i theo ñ giãn n .
2:56 PM 17 2:56 PM 18
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Strain gauge lo i ñi n tr dán: G m 1 s i dây
Các d ng c a strain gauge m ng hay màn m ng s p ñ ng ph ng và ñư c g n
(dán) vào thanh ch u l c
Ki u tuy n tính Ki u xo n
2:56 PM 19 2:56 PM 20
5
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Strain gauge lo i bán d n:
- Cũng d a vào hi u ng áp tr (piezoresistive
effect) như trư ng h p kim lo i.
- Có gauge factor (G) cao hơn ⇒ ñ nh y l n hơn
- Giá thành cao.
Strain gauge lo i
- D b hư t n
ñi n tr dán
- Ít thông d ng hơn lo i kim lo i.
2:56 PM 21 2:56 PM 22
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
• ði n tr thay ñ i c a strain gauge là r t nh , c vài
ph n trăm ho c nh hơn m t Ohm.
• ð phát hi n ra s thay ñ i nh như th , ta ph i áp
d ng các m ch c u
Ho t ñ ng c a strain
gauge
Ho t ñ ng c a strain gauge
2:56 PM 23 2:56 PM 24
6
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Phương pháp ño b ng m ch c u WheatStone Phương pháp ño b ng m ch c u WheatStone
• C u¼
(Quarter-
(Quarter-bridge)
R1=R2=R3=R
D ng này nh hư ng D ng này h n ch , nhưng
Vo=
ñi n tr dây n i không lo i b hoàn toàn
2:56 PM 25 2:56 PM
ñi n tr dây n i 26
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Phương pháp ño b ng m ch c u WheatStone Phương pháp ño b ng m ch c u WheatStone
• C u bán (Half bridge)
D ng này Lo i
b nh hư ng
c a nhi t lên
strain gage
2:56 PM 27 2:56 PM 28
7
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Phương pháp ño b ng m ch c u WheatStone Phương pháp ño b ng m ch c u
• ð u tiên ta s ch nh các giá tr ñi n tr sao cho • ð ñơn gi n ta cho các giá tr ñi n tr là b ng
V1=V2 nhau=R.
nhau=R. Khi có s thay ñ i ñi n tr strain
gauge ∆R thì:
thì:
Sai l ch ñi n áp trên m ch c u (V1 – V2) 4R s l n hơn r t nhi u so v i 2∆R vì th :
∆R = s thay ñ i ñi n tr c a strain-gauge
R = giá tr ñi n tr c a các ñi n tr trong m ch c u
∆V = sai l ch ñi n áp
Vs= ngu n ñi n áp c p trong m ch c u
2:56 PM 29 2:56 PM 30
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Phương pháp ño b ng m ch c u WheatStone M i liên h gi a ñ n dài và ñi n tr
• C u ñ y ñ (Full bridge) • Khi strain gauge b tác ñ ng, ñi n tr nó tăng lên.
lên.
M i quan h gi a ñ n dài và ñi n tr ñư c bi u
di n như sau:
sau:
V i:
ε = ñ n dài(∆L/L)
R = ñi n tr strain-gauge
GF =gauge factor, h s ñư c cung c p b i nhà s n
xu t (GF là t s (∆R/R)/(∆L/L)
2:56 PM 31 2:56 PM 32
8
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
H ng s liên h gi a áp và ñ n dài H ng s liên h gi a áp và ñ n dài
• Young’s modulus (E) h ng s mô t m i quan h • Young’s modulus (E) h ng s mô t m i quan h
gi a áp và ñ n dài c a v t: gi a áp l c và ñ n dài c a v t:
Young’s modulus (E)
Pound-force per square
Ch t li u Lb/in2 N/cm2
V i: S t 30.106 2,07.107 inch (Lb/in2 = psi)
E = H ng s (h ng s ph thu c vào v t li u) ð ng 15.106 1,07.107 Lb: vi t t t t ti ng la
Nhôm 10.106 6,9.106
ρ = L c tác ñ ng trên m t vùng tinh Libra=pound-foot
ðá 7,3.106 5,0.106
G c ng 1,5 . 106 1,0.106
ε = ð n dài
2:56 PM 33 2:56 PM 34
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
M ch ño th c t
Ngư i ta phân loadcell thành nhi u lo i d a
trên các cơ s sau:
Tr ng thái tương tác l c
T m ño
Nhu c u c a ngư i s d ng
Môi trư ng làm vi c
2:56 PM 35 2:56 PM 36
9
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Có hai d ng tín hi u ñư c ñưa ra t Loadecell
Analog
Volt output: 0 to ± 5 V , 0 to± 10 V
Current output: 4 to 20 mA
Ưu ñi m: kích thư c nh g n, d s d ng, giá
thành th p
Digital Ph n ñi n tr bù nhi t ñư c ñ t g n strain Gauges
A/D 24 bit ch u tác ñ ng, ñ ñ m b o cùng nhi t ñ . Nó không
Ưu ñi m: ñáp ng cao, ch ng nhi u t t b thay ñ i dư i tác ñ ng c a l c.
2:56 PM 37 2:56 PM 38
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Cho m ch ño strain Ví d Ví d Gi i
gain như hình. Di n
hình. ð thay ñ i ñi n tr khi thanh ch u tác ñ ng
tích b m t tr (c u t o
b ng thép) là 2 in2
R=120
R=120 th a s
GF=2
GF=2. Ngu n cung c p
10 V. Khi thanh chưa b ð n dài :
tác ñ ng ngõ ra c u là
0V. Khi thanh ch u tác
ñ ng, ngõ ra c u là
0.0005V. Tìm l c tác
0005V
ñ ng lên thanh.
thanh.
2:56 PM 39 2:56 PM 40
10
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Ví d Gi i
Áp d ng công th c :
ð tính toán l c tác ñ ng lên thanh. Tra b ng
Young’s modulus. T b ng, ta tìm ñư c 30,000,000
lb/in2 cho b i:
ðó là l c tác ñ ng lên m t in2 m t c t, theo ñ là
2.in2 nên l c tác ñ ng ph i là 6000lb/in2 Dùng bán c u
2:56 PM 41 2:56 PM 42
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Dùng bán c u
Ngõ ra c u bán ph n
ñây có hai train gain chính, 2 train gain ph
2:56 PM 43 2:56 PM 44
11
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Dùng m ch c u ñ y ñ Dùng m ch c u ñ y ñ
2:56 PM 45 2:56 PM 46
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
ði n áp ra m ch c u ñ y ñ
S d ng Loadcell ñúng cách ñ tránh
làm hư h i Loadcell
Lưa ch n t m ño phù h p tránh tình
tr ng quá t i
L a ch n lo i Loadcell phù h p v i môi
trư ng làm vi c
Khi s d ng Loadcell thì chúng ta ph i
quan tâm ñ n tu i th c a nó
2:56 PM 47 2:56 PM 48
12
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
T m ño c a m t vài lo i Loadcell
HC 2001: 0 to 50 - 100-200 - 300Kg. (Al).
HC 2001: 0 to 500 - 1000 Kg. (Fe).
HC 2002: 0 to 2 ton.
HC 2005: 0 to 5 tons.
HC 2015: 0 to 10 – 15 tons.
HC 2030: 0 to 30 tons.
HC 2080: 0 to 50 – 80 tons.
Hình d ng th c t Loadcell
2:56 PM 49 2:56 PM 50
5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
Loadcell lo i vòng tròn
Hình d ng th c t Loadcell
2:56 PM 51 2:56 PM 52
13
- 5.2 C M BI N L C 5.2 C M BI N L C
ng d ng:
Loadcell lo i tr
2:56 PM 53 2:56 PM 54
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
FLOWMETERS SENSOR Khái ni m
S lư ng v t ch t ñư c xác ñ nh b ng kh i lư ng và th tích
c a nó tương ng v i các ñơn v ño (kg, t n) hay ñơn v th
tích (m3, lít)
Lưu lư ng v t ch t là s lư ng ch t y ch y qua ti t di n
ngang c a ng d n trong m t ñơn v th i gian.
V
• Lưu lư ng th tích: QV =
t
m
• Lưu lư ng kh i: Qm =
t
2:56 PM 55 2:56 PM 56
14
- 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
V n t c dòng ch y và lưu lư ng
ð c trưng c a lưu ch t
Các c m bi n lưu lư ng s d ng các nguyên lý sau ñây:
• Áp su t sai l ch (chênh áp - Differential Pressure)
M i lưu ch t ñư c ñ c trưng b i nh ng y u
• T o ñ xoáy (Vortex/Swir generation) t sau:
• T trư ng (Electromagnetic) • Kh i lư ng riêng
• Th ch (Positive displacement) • H s nh t ñ ng l c
• Tua bin
• H s nh t ñ ng h c
• C m bi n kh i lư ng (Mass)
• Nhi t
2:56 PM 57 2:56 PM 58
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
Tính nh t
Kh i lư ng riêng
H s nh t ñ ng l c s ñư c tính theo phương trình
Kh i lư ng riêng là kh i lư ng c a 1 ñơn 2
2.∆ρ .g .r
sau: µ=
v th tích lưu ch t 9.u
m • µ: H s nh t ñ ng l c (Pa s)
ρ= (kg / m 3 )
V • ∆ρ: S khác nhau gi a kh i lư ng riêng qu c u
m: kh i lư ng c a kh i lưu ch t và ch t l ng (kg/m3).
V: th tích c a kh i lưu ch t • g: Gia t c tr ng trư ng 9,81 m/s2.
• r: Bán kính qu c u (m).
• u: V n t c rơi c a qu c u u= d/t (m/s)
• Pa s= Ns/m2= 103 cP (centiPoise) = 10 P (Poise)
2:56 PM 59 2:56 PM 60
15
- 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
Tính nh t Tr s Reynold: (Re)
µ.103
H s nh t ñ ng h c: V = ρ ρ .u.D
Tr s Reynold: Re = µ
• v: h s nh t ñ ng h c, ñơn v centistokes (cSt)
• ρ: Kh i lư ng riêng c a lưu ch t (kg/m3)
• µ: H s nh t ñ ng l c.
• D: ðư ng kính trong c a ng d n lưu ch t (m)
• ρ: Kh i lư ng riêng c a lưu ch t (kg/m3).
• u: V n t c c a lưu ch t (m/s)
• ðơn v h s nh t ñ ng h c là cSt (centistokes), St
• µ: H s nh t ñ ng l c (Pa s)
(stokes), m2/s. (1St=100 cSt=1cm2/s=10-4 m2/s)
2:56 PM 61 2:56 PM 62
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
Hi u chu n kh i lư ng riêng Tr ng thái dòng ch y
• Kh i lư ng riêng thư ng không là m t h ng s N u b ñi nh hư ng c a ñ nh t và s ma sát v i
• Kh i lư ng riêng c a ch t l ng tùy thu c vào nhi t thành ng d n thì v n t c dòng ch y s như nhau
ñ . ð hi u chu n kh i lư ng riêng ta ch c n ño m i v trí trên m t c t ngang c a ng d n
nhi t ñ .
• Khí thư ng là m t h n h p g m nhi u thành ph n.
• Kh i lư ng riêng l thu c vào áp su t và nhi t ñ .
Lý tư ng Th c t
2:56 PM 63 2:56 PM 64
16
- 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
Tr ng thái dòng ch y ðo lưu lư ng
Xác ñ nh lư ng lưu ch t ñi qua ti t di n
Các khí ( tr ng thái bão
ngang c a ng d n trong 1 ñơn v th i gian.
hòa) và h u h t các ch t
Có r t nhi u phương pháp khác nhau ñ ño
l ng thư ng ñư c v n
lưu lư ng, tuỳ thu c vào ñ i tư ng ñư c ño
chuy n b ng ng d n
và m c ñ chính xác yêu c u.
tr ng thái dòng ch y r i.
Tr s Reynold.
2:56 PM 65 2:56 PM 66
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
T i sao c n ph i ño lưu lư ng? Các phương pháp ño lưu lư ng
ð nh lư ng ch t l ng trong bình ch a, có Phương pháp dùng Tuabin
th tích không xác ñ nh S d ng Piston
Lưu l ơng nh ñ n áp su t và nhi t ñ ðo lưu lư ng thông qua s chênh l ch áp
Tính toán và phân b h th ng ng d n su t trên cùng 1 ñư ng dây d n
(nư c ho c gas) cho phù h p ð dâng cao c a các c t ch t l ng trên ng
ðo th tích xăng ñã bơm tr m xăng… r ng có 1 ñ u n i v i ñư ng ng c n ño
Quang h c, siêu âm,….
2:56 PM 67 2:56 PM 68
17
- 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
S d ng hai ñ ng h ño
S d ng m t ñ ng h
chênh áp C m bi n d a vào ñ xoáy c a dòng
ño chênh áp
ch t l ng (C m bi n ki u Vortex)
2:56 PM 69 2:56 PM 70
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
C m bi n
lưu lư ng
ki u t
trư ng
C m bi n ki u th ch
2:56 PM 71 2:56 PM 72
18
- 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
C m bi n lưu lư ng ki u tuabin Các c m bi n lưu lư ng kh i
2:56 PM 73 2:56 PM
lư ng 74
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
Các c m bi n d a vào nhi t
Các c m bi n d a vào kh i lư ng
2:56 PM 75 2:56 PM 76
19
- 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
Hình d ng các lo i c m bi n ño lưu Hình d ng các lo i c m bi n ño lưu
lư ng lư ng
Magnetic-Flowmeter Mass-Flow-Meter Vortex Flowmeters
2:56 PM 77 2:56 PM 78
5.3 C M BI N LƯU LƯ NG 5.3 C M BI N LƯU LƯ NG
Hình d ng các lo i c m bi n ño lưu lư ng Hình d ng các lo i c m bi n ño lưu
lư ng
C m bi n lưu
lư ng ki u
tuabin
C m bi n lưu lư ng ki u tuabin
2:56 PM 79 2:56 PM 80
20
nguon tai.lieu . vn