2.1 Cảm biến và thiết bị chấp hànhtnu.edu.vn/sites/quynhntt/Bi ging chia s/industrial automation/2.1.pdf · xác định bởi giá trị đo ... - Nếu bộ cảm biến

Page 1

2. Các thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành và điều khiển

2.1 Cảm biến và thiết bị chấp hành

courtesy ABB

2008 June, HK

Industrial Automation

2/52 2.1 InstrumentationIndustrial Automation

2.1.1. Khái niệm

2.1. Cảm biến và các thiết bị chấp hành

2.1.1 Khái niệm

2.1.2 Chức năng

2.1.3 Mô hình mạch

2.1.4 Các đặc trưng cơ bản

2.1.5 Cấu trúc chung của cảm biến thông minh

2.1.6 Đo nhiệt độ

2.1.7 Đo lưu lượng

2.1.8 Đo áp suất và mức

2.1.9 Đo các đại lượng cơ học

2.1.10 Thiết bị chấp hành

2.2. Thiết bị điều khiển

2.3. Các bộ điều khiển lôgic khả trình

Page 2


-Thiết bị đo- cảm biến:

Thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên các biến

trạng thái của quá trình.

-Thiết bị chấp hành:

Biến đổi tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển thành sự điều

chỉnh vật lý nhằm thay đổi đầu vào của quá trình.

2.1.1. Khái niệm

Thị phần thiết bị của các nhà sản xuất

Emerson (Fisher-Rosemount): 27 %

Invensys: 4-5%

ABB: 4-5%

Honeywell: 3-4%


2.1.2. Chức năng

- Cảm biến cảm nhận, đo đạc và đánh giá thông số hệ thống.

- Bộ điều khiển tính toán xử lý thông tin đưa ra tín hiệu điều khiển.

- Cơ cấu chấp hành thực hiện các yêu cầu điều khiển quá trình.

Page 3


2.1.3. Mô hình mạch

Coi cảm biến như một mạng 2 cửa.

- Cửa vào là biến quá trình cần đo V.

- Cửa ra là giá trị đo được M.

- Phương trình mô tả quan hệ:

M= f(V)


2.1.4. Các đặc trưng cơ bản

Page 4



b. Các tín hiệu và các chuẩn

Chuẩn điện học thông dụng nhất được dùng để truyền tín hiệu là dùng một tín hiệu dòng điện từ 4- 20 mA

Page 5


c. Dải đo, ngưỡng nhạy và khả năng phân ly

- Dải đo ( span, full scal, range) của một giá trị đo được xác định bởi giá trị đo lớn nhất và nhỏ nhất:

D= Xmax-Xmin


- Ngưỡng nhạy: khi x giảm thì Y cũng giảm theo nhưng với Δx < ε thì không thể phân biệt được ΔY

- Khả năng phân ly (Resolution):

max minX - XDR = =

ε ε

Với D = Xmax – Xmin là thang đo (thường Xmin = 0)

Vì các thiết bị đo khác nhau có độ nhạy khác nhau,

nên để so sánh tính nhạy của thiết bị người ta dùng

khái niệm khả năng phân ly của thiết bị

Page 6


e. Độ chính xác và sai số

- Độ chính xác là giá trị đo được gần nhất với giá trị quá trình

- Sai số thường được thể hiện bằng giá trị sai số tuyệt đối:

% 100d

x

x

dx x x

- Sai số tương đối:


Ví dụ: một bộ cảm biến di chuyển thẳng có độ nhạy 1mV

trên 1mm di chuyển. Nếu di chuyển 10mm tạo nên điện

áp 10,5mV thì:

Sai số tuyệt đối :

Δx = 10,5 - 10 = 0,5 mV.

Sai số tương đối:

0,5% 100 5%

10

Page 7


Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân thành:

- Sai số hệ thống: không phụ thuôc vào số lần đo, có giá

trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian. Nguyên

nhân:

+ do nguyên lý của cảm biến

+ giá trị đại lượng chuẩn không đúng

+ điều kiện và chế độ sử dụng

+ do xử lý kết quả đo

…


- Sai số ngẫu nhiên: xuất hiện có độ lớn và chiều không

xác định

Nguyên nhân:

+ do thay đổi đặc tính của thiết bị

+ do tín hiệu ngẫu nhiên

+ các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi

trường

…

Page 8


f. Độ lặp và trễ

- Độ lặp là các giá trị đo thu được nhiều lần khi đo tại một điểm

- Độ trễ xảy ra khi giá trị đo được có đáp ứng kịp với sự tăng hay

giảm của giá trị quá trình hay không


2.1.5. Cấu trúc chung của cảm biến thông minh

Page 9


Việc thực hiện một bộ cảm biến thông minh có thể tiến

hành theo hai phương pháp:

- Nếu bộ cảm biến ở đầu vào là cảm biến thông thường

thì đầu ra được đưa vào một vi mạch bao gồm các

CĐCH, MUX, A/D và μP trong một khối có đầu ra qua

bộ ghép nối để đưa thông tin đi xa hay vào máy tính

cấp trên.

- Nếu bản thân cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn

những thiết bị sau nó được để trong một khối


Các chương trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động của cảm biến bao gồm:

- Chương trình thu thập dữ liệu: Khởi động các thiết bị như ngăn xếp, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào ADC, điều khiển hoạt động của MUX

- Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo: Biến đổi các giá trị đo được thành mã BCD, mã 7 thanh, mã ASCII, mã chương trình xử lý số liệu đo.

- Chương trình giao diện: đưa hiển thị ra LED hay màn hình, máy in, đọc bàn phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào mạng, hay gửi tín hiệu cho máy tính cấp trên

Page 10


2.1.6. Đo nhiệt độ

2.1.6.1. Giới thiệu chung

- Việc đo lường, điều khiển nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong điều khiển quá trình.

- Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất.

Có bốn phương pháp đo nhiệt độ dựa trên các đặc điểm vật lý sau:

- Sự giãn nở của các vật liệu theo nhiệt độ

- Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ

- Sự thay đổi nhiệt độ ở điểm tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau

- Sự thay đổi năng lượng phát ra theo nhiệt độ


- Thang đo nhiệt độ:

Nhiệt độ Kelvin (K)Celsius (0C)

T (0C)=T(K)-273,15

Fahrenheit (0F)

T (0F)=1,8T(0C)+32

Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67

Hòa hợp nước –nước đá 273,15 0 32

Cân bằng nước –nước đá – hơi

nước273,16 0,01 32,018

Nước sôi 373,15 100 212

Page 11


2.1.6.2. Các phương pháp đo nhiệt độ và ứng dụng trong công nghiệp

1. Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở

- Độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ

- Điện trở của kim loại có hệ số dương: điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng


a. Nhiệt điện trở platin

- Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở dùng rộng rãi trong công nghiệp

- Dải đo nhiệt độ của NĐT platin trong khoảng –250 đến 850 0C

+Khi nhiệt độ từ 0 6600C thì

Rt =R0 (1+At +Bt2)

+Trong khoảng từ -180 00C thì

Rt = (1+At +Bt2 +C(t-100)3)

A, B, C là các hằng số tra trong

sổ tay kỹ thuật

+Khoảng nhiệt độ t < -1800C và

t> 6600C thì quan hệ Rt =f(t)

được lập thành bảng.

Page 12


b. Nhiệt điện trở Nickel

- Nhiệt điện trở Nickel so với platin rẻ tiền hơn

- Dải đo chỉ từ -60 đến 250 0C

Có đặc tính giống như nhiệt

điện trở đồng = 5.10-3 /0C


c. Nhiệt điện trở đồng

Phương trình chuyển đổi của nhiệt điện trở đồng trong dải từ –50

1800C được xem là tuyến tính: Rt = R0(1+t)

Trong đó: R0 là điện trở của nhiệt điện trở tại 00 C,

là hệ số nhiệt điện trở = 4,3.10-3 /0C

Trong trường hợp R0 chưa biết ta dùng biểu thức sau:

R2 = 1

21

t

)t(R

Trong đó R1 và R2 là giá trị điện trở tại các nhiệt độ t1 và t2,

=1/ là hằng số, với đồng thì = 234.

+ Nhiệt điện trở Platin

Page 13


c. Các cấu trúc của cảm biến nhiệt điệntrở platin và nickel

- Nhiệt điện trở với vỏ gốm

- Nhiệt điện trở với vỏ thuỷ tinh

- Nhiệt điện trở với vỏ nhựa

- Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng mỏng


d. Ứng dụng trong công nghiệp

Nhiệt điện trở RM và RH của Yokogawa

- Nhiệt điện trở RM và RH

có thành phần điện trở là

platin (Pt100 hay Pt50)

- RM được ứng dụng trong

các quá trình nói chung

- RH thích hợp với các quá

trình có áp suất cao

Page 14


2. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

a. Cặp nhiệt điện

- Hai kim loại được hàn với nhau

- Đốt nóng một điểm đến nhiệt độ t1

và đầu còn lại giữ ở nhiệt độ thấp hơn t2 sẽ xuất hiện một dòng trong mạch.

Nếu để hở một đầu thì giữa hai cực xuất hiện một sức điện động nhiệt

- Dòng điện này phụ thuộc vào kim loại và nhiệt độ t1, t2


Khi hai mối hàn có cùng nhiệt độ t0 thì sđđ tổng:

EAB= eA(t0) - eB(t0) = 0

Khi t1 ≠ t2 thì: EAB= eA(t1) - eB(t2) .

Nếu t2 =const thì: EAB= eA(t1) - C = f(t)

với C= eB(t2) = const.

Như vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm được nhiệt độ t của đối tượng đo với t0 = const.

Page 15


b. Các luật của cặp nhiệt điện

- Luật 1: hiệu ứng nhiệt điện chỉ

phụ thuộc vào nhiệt độ của

các điểm kết nối

- Luật 2: Các kim loại có thể

được gắn thêm vào trong

mạch mà không ảnh hưởng

đến điện thế

- Luật 3: Có thể gắn thêm một kim loại thứ ba vào một trong hai điểm tiếp xúc


- Luật 4: Luật của các kim loại trung gian

- Luật 5: Luật của các nhiệt độ trung gian

Page 16


c. Sự thay đổi tính chất cặp nhiệt điện theo thời gian

Sau một thời gian đo ở nhiệt độ cao, sẽ xuất hiện sự “lão hoá” hay sự “trượt” của kết quả đo đạc cặp nhiệt điện

d. Nguyên nhân gây sai số trong phép đo với cặp nhiệt điện

- Khi có sự đứt đoạn đầu đo

- Khi hai dây của cặp nhiệt điện bị ẩm ướt

- Không có vỏ bọc chống nhiễu

- Cặp nhiệt điện nằm không đủ sâu vào môi trường cần đo


f. Các loại cặp nhiệt điện theo tiêu chuẩn quốc tế

E : Chromel/Constantan

J : Sắt/Constantan

T : Đồng/Constantan

K : Chromel/Alumel

R : Platin-Rođi (13%)/Platin

S : Platin-Rođi (10%)/Platin

B : Platin-Rođi (30%)/

Platin-Rođi (6%)

Page 17


g. Ứng dụng trong công nghiệp

Cặp nhiệt điện CM và CH của Yokogawa

- CM: dùng cho các

ứng dụng chung

- CH: dùng đo nhiệt

độ ở nơi có áp

suất cao


2.1.7. Đo áp suất và mức

2.1.7.1. Giới thiệu chung

1. Đại cương về áp suất

- Phần lớn các loại cảm biến áp suất hiện nay được chế tạo từ vật liệu silic với hiệu ứng điện trở áp điện

- Các loại cảm biến áp suất bán dẫn biến đại lượng vật lý áp suất thành tín hiệu điện.

- Hầu hết các cảm biến áp suất đều có một phần tử biến đổi trị số đo từ năng lượng cơ học thành năng lượng điện gắn trên màng đàn hồi.

Page 18



* Màng phẳng :

- Nếu làm bằng kim loại thì dùng để đo áp suất cao.

- Nếu làm bằng cao su vải tổng hợp, tấm nhựa thì đo áp suất nhỏ hơn (loại này thường có hai miếng kim loại ép ở giữa).

- Còn loại có nếp nhăn nhằm tăng độ chuyển dịch nên phạm vi đo tăng.

- Có thể có lò xo đàn hồi ở phía sau màng.

Page 19



* Hộp đèn xếp : có 2 loại

- Loại có lò xo phản tác dụng, loại này màng đóng vai trò cách ly với môi trường.

Muốn tăng độ xê dịch ta tăng số nếp gấp thường dùng đo áp suất nhỏ và đo chân không.

- Loại không có lò xo phản tác dụng.

* ống buốc đông:

Là loại ống có tiết diện là elíp hay ô van uốn thành cung tròn ống thường làm bằng đồng hoặc thép, nếu bằng đồng chịu áp lực < 100 kG/cm2 khi làm bằng thép (2000 tới 5000 kG/cm2).

Page 20


Lựa chọn vật liệu cho màng đàn hồi phải dựa theo một số yếu tố:

- Sự đàn hồi cao nhất

- Nhiệt độ làm việc tối đa

- Sự “mỏi” của vật liệu

- Sự chịu đựng với các hoá chất ăn mòn


2. Định nghĩa và đơn vị áp suất

a. Định nghĩa

- Áp suất được định nghĩa là lực tác động trên một đơn vị diện tích

p = F/A

- Việc đo áp suất được hiểu là đo áp suất với một áp suất tiêu chuẩn

Áp suất tiêu chuẩn có thể là:

- Áp suất khí quyển

- Áp suất chân không

- Áp suất khác: hiệu áp

Page 21


b. Đơn vị áp suất

- Đơn vị của áp suất trên lý thuyết là

N/m2

- Đơn vị được dùng rộng rãi trong thực tế là

kPa (kPa = N/cm2)


3. Đo mức

- Với các chất lỏng, để lưu trữ cũng như vận chuyển, đòi hỏi việc hiển thị mức chất lỏng.

- Mức thường liên quan đến thể tích

Page 22


Có 4 loại bề mặt cần quan tâm trong điều khiển mức:

- Chất lỏng/ khí

- Chất rắn/ khí

- Chất lỏng 1/ chất lỏng 2

- Chất rắn/ chất lỏng


2.1.7.2. Các phương pháp đo áp suất, mức và ứng dụng trong công nghiệp

1. Cảm biến đo áp suất

a. Cảm biến áp suất điện trở áp điện

- Dựa trên hiệu ứng áp điện:

Vật liệu áp điện khi chịu tác dụng của lực cơ học biến thiên thì trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điện tích biến mất

Page 23



Page 24


b. Cảm biến áp suất điện dung đo hiệu suất

- Điện dung C1, C2 bị thay đổi theo hiệu suất Δp = p1 – p2


2. Đo mức chất lỏng

a. Đo mức chất lỏng bằng phương pháp đo điện dung

Page 25


b. Đo mức chất lỏng bằng cách đo áp suất và hiệu áp


Page 26


c. Đo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm

- Phương pháp đo bằng

sóng siêu âm dựa trên

sóng âm thanh tần số cao

- Một bộ phát và thu sóng

được đặt trên đỉnh thùng

chứa

- Mức trong thùng chứa

được tính từ các tín hiệu phản xạ lại lên bộ thu


3. Ứng dụng trong công nghiệp

Thiết bị đo áp suất và mức EJA của Yokogawa

EJA là thiết bị đo và

chuyển đổi áp suất vi

sai dựa trên các cảm

biến cộng hưởng theo

sự thay đổi áp suất đầu

vào.

Page 27



2.1.7.2. Các phương pháp đo lưu lượng và ứng dụng trong công nghiệp

1. Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy

a. Nguyên lý đo

- Dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi xuất hiện một vật cản nằm trong lưu chất

- Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn trôi đi

- Theodor von Karman đã tìm ra nguyên nhân sự dao động khi đặt một vật nằm trong dòng chảy: đó là sự sinh ra và biến mất của các dòng xoáy bên cạnh vật cản.

- Phía sau dòng chảy hình thành con đường dòng xoáy Karman

Page 28



- Tần số sự biến mất của dòng xoáy ( và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng dùng để đo lưu lượng bằng thể tích.

Hằng số Strouhal S:

fbS

v

b – đường kính vật cản

f – tần số dòng xoáy

v – vận tốc dòng xoáy

- với điều kiện S k phụ thuộc trị số Reynold:

1. .vQ b A f

S A – diện tích mặt cắt ngang

của dòng chảy

Page 29


Để hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định và lặp lại

thật tốt, vật cản có thể có hình dạng:


- Trong các thiết bị đo trên thị trường, vật cản được dùng có hình lăng kính

Page 30


- Một số ưu điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:

• Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay hư hỏng nhẹ của vật cản

• Sai số phép đo nhỏ

• Độc lập với các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy

• Không có bộ phận chuyển động cơ học và cấu trúc khá đơn giản

• Thích hợp để đo chất lỏng, khí và hơi


b. Ứng dụng trong công nghiệp

Lưu lượng kế xoáy YEWFLO của Yokogawa

- Nguyên lý làm việc:

dựa trên hiện tượng tạo xoáy được biết đến như

nguyên lý von Karman

Giả sử tần số của các xoáy tạo ra là f, vận tốc dòng chảy là v và độ

rộng của thanh tạo xoáy là d,

ta có:

f = StV/d

Page 31


Trị số St là một số không thứ nguyên phụ thuộc vào hình dạng và kích cỡ của thanh tạo xoáy.

• Khi biết được trị số St có thể tính được lưu lượng tỉ lệ bằng cách đo tần số xoáy


- Cấu trúc

1) Bộ chuyển đổi

2) Miếng đệm

3) Thành phần cảm

biến

4) Thanh tạo xoáy

5) Màn hình hiển thị tín

hiệu đầu ra

6) Dây tín hiệu cảm biến

Page 32


Ứng suất tạo ra mỗi khi có các xoáy được phát hiện bởi các cảm biến (thành phần áp điện) đặt bên trong thanh tạo xoáy

Có 2 thành phần áp điện để

phân biệt các lực tạo ra bởi

xoáy và các lực được tạo ra

do các yếu tố khác


- Các quy định về lắp đặt

(1) Đường ống

• Lắp lưu lượng kế theo chiều mũi tên cùng

chiều dòng chảy vào

• Các hình minh hoạ dưới đây thể hiện khoảng

cách tối thiểu giữa lưu lượng kế với các đoạn

nối và điểm nối khác

Page 33



Page 34


- 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 như sau:


Lưu lượng kế xoáy không thể đo được lưu chất trong các trường

hợp:

Page 35


Đường kính của lưu lượng kế phải nhỏ hơn đường kính ống


Để đo được chính xác lưu lượng, phải đo với các đường ống luôn đầy

Page 36


Các lưu chất chứa cả chất lỏng và khí sẽ gây ra lỗi trong quá trình đo.


Tránh lắp đặt lưu lượng kế trong trường hợp có mức chất lỏng trong ống giữ nguyên ở trạng thái không đổi

Page 37


(2) Môi trường

- Không lắp đặt trong môi trường có nhiệt độ thay đổi đột ngột

- Không lắp đặt trong môi trường dễ bị ăn mòn, lắp đặt ở chỗ có thông gió

- Không được cho lưu lượng kế vào trong bất cứ một chất lỏng nào

- Lắp đặt trong những môi trường hạn chế thấp nhất mức va chạm và chấn động.


2. Phương pháp đo bằng sóng siêu âm

a. Nguyên lý đo

- Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện

• Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền sóng liên kết với nhau:

• Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường

• Sóng siêu âm được tạo nên bởi các vật liệu áp điện

0 .C f

Page 38


Các cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn có lưu chất dịch chuyển một vận tốc v. Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến 2 thu sóng, vận tốc truyền sóng được gia tăng thêm thành phần v.cos

Với phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc v của dòng chảy và su khi nhân v với diện tích mặt cắt của ống, thu được lưu lượng tính bằng thể tích


- Phương pháp hiệu số tần số truyền sóng

Cảm biến 1 gửi một xung cho cảm biến 2. Cảm biến 2 trả lời bằng một xung cho cảm biến 1 và làm cho cảm biến một phát đi một xung. Gọi f1 là tần số cảm biến 1, f2 là tần số của cảm biến 2.

Vận tốc dòng chảy v độc lập với vận tốc truyền sóng C0:

Vì tần số được đo từ một chuỗi xung, do đó phép đo mất thời gian. Sự phản hồi sóng siêu âm của các bọt nước, vật rắn trong chất lỏng… gây nhiễu cho phép đo.

1 2( )2cos

Lv f f

Page 39


- Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng

Cả 2 cảm biến đối diện nhau phát cùng lúc một sóng siêu âm. Cả 2 đầu tiên hoạt động như nguồn phát sau đó hoạt động như nguồn thu sóng siêu âm của nhau.

t1: thời gian truyền sóng từ 1 đến 2

t2: thời gian truyền sóng từ 2 đến 1

Vận tốc dòng chảy được xác định rất nhanh chóng với trường hợp này:

2 1

1 22cos

t tLv

t t


- Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha)

Khi vận tốc truyền sóng thay đổi và với tần số không đổi thì độ dài sóng phải thay đổi.

Chọn tần số f0 sao cho với vận tốc dòng chảy v=0 thì khoảng cách giữa hai cảm biến bằng n0 .

Với phương pháp này, tần số siêu âm được thay đổi sao cho dù với vận tốc dòng chảy nào ta luôn có khoảng cách giữa 2 cảm biến L= l0 =n .0 .

Vận tốc dòng chảy được xác định

01 2

2cos

lv f f

Page 40


b. Ứng dụng trong công nghiệp:

Lưu lượng kế siêu

âm SITRAN F US của

Siemens


- Nguyên lý làm việc

• 2 bộ chuyển đổi sóng siêu âm sẽ lần lượt gửi cho nhau những tín hiệu sóng siêu âm

• Đo được 2 đại lượng thời gian thực tAB và tBA qua lại giữa các tín hiệu này Nếu có dòng chảy vào, thời gian qua lại giữa các tín hiệu sẽ nhanh hơn với chiều xuôi và chậm hơn với chiều ngược lại

• Sự chênh lệch về thời gian này chính là giá trị vận tốc của dòng chảy VM

Page 41


Lắp đặt:

• Lưu lượng kế

có thể lắp trên

những đường

ống ngang hay

dọc


• Khoảng cách

giữa lưu

lượng kế với

các thiết bị

trên cùng

đường ống

Page 42


• Giá trị đo chỉ chính xác khi lắp đặt lưu lượng kế ở những đường

ống luôn đầy


• Không nên lắp

đặt lưu lượng

kế ở ngay phía

đầu ra của lưu

chất

Page 43


• Tránh lắp đặt lưu lượng kế tại những điểm cao nhất


3. Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ

a. Nguyên lý đo

- Định luật cảm ứng điện từ của Faraday: một dây dẫn phát sinh một điện thế khi nó di chuyển trong từ trường

- Điện thế này tỷ lệ với vận tốc di chuyển của dây dẫn điện và cường độ của từ trường

- Hiệu ứng này được dùng trong

phương pháp đo lưu lượng các chất

lỏng dẫn điện có chứa các ion

mang điện tích

Page 44


Một số ưu điểm của lưu lượng kế cảm ứng điện từ

• Mặt cắt của dòng chảy không bị thu hẹp bởi các ống blende (tấm nghẽn) hay ống phun (ventury)

• Có thể đo được các chất lỏng dơ bẩn, môi trường độc hại, ăn mòn cao...

• Khoảng đo rộng và độ chính xác cao

• Được dùng ở những nơi áp suất và nhiệt độ cao, nơi dể cháy nổ, ngập lụt


b. Ứng dụng trong công nghiệp:

Lưu lượng kế điện từ ADMAG AE

của Yokogawa

- Nguyên lý làm việc

• Dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday

• Dùng một chất lỏng dẫn điện chảy qua giữa 2 cực của một nam

châm và đo sức điện động sinh ra trong chất lỏng thì có thể xác

định được tốc độ của dòng chảy hay lưu lượng.

Page 45



Một nguyên nhân khác cũng dẫn đến sự sai lệch về độ chính xác

của phép đo đó là ảnh hưởng của các chất ăn mòn bám lên điện

cực

Page 46


Lắp đặt

• Khoảng cách lắp đặt để đảm bảo độ chính xác


• Vị trí lắp đặt để đảm bảo độ chính xác

Page 47


• Đo lưu lượng với chất lỏng luôn đầy


Đo chất lỏng không có lẫn bọt khí

Page 48


4. Đo lưu lượng bằng nghẽn tiêu chuẩn (hay nguyên lý thay đổi độ giảm áp suất)

a. Nguyên lý đo

- Lý thuyết cơ bản

• Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là nguyên tắc thay đổi độ giảm áp suất qua ống thu hẹp

• Nếu một thiết bị thu hẹp được đặt trong đường ống có lưu chất chảy qua, sẽ có sự chênh áp suất trước và sau lỗ thu hẹp

• Độ chênh áp này phụ thuộc vào lưu lượng chảy qua ống


Page 49


Phương trình cơ bản của lưu lượng kế chênh áp

- Lưu chất không chịu nén:2 1 2

22

1

2( )

1 ( )D

A P PQ C

AA

ρ :tỷ trọng của lưu chất

CD : hệ số phóng ( 0,97 với ống venturi; 0,6 với tấm nghẽn;

hoặc xác định theo chuẩn ISO 5167:1980, hoặc chuẩn BS

1042)


- Lưu chất chịu nén:2

1 1 2

22

1

2 ( )

1 ( )D

AQ C P P

AA

ρ1 :tỷ trọng của khí tại áp suất P1

ε : hệ số tỷ lệ mở rộng ( xác định bởi chuẩn BS 1042 hoặc

ISO 5167)

Page 50


b. Tấm nghẽn

- Đơn giản chỉ gồm

một tấm kim loại

hình tròn được chèn

thêm vào mặt bích

của đường ống

- Tấm nghẽn có tác

dụng tạo ra một sự

chênh áp đo được tại D và D/2 với D là đường kính của ống


Page 51


- Khi tiến hành lắp đặt tấm

nghẽn trên đường ống,

nên để một khoảng trống

ít nhất mười lần đường

kính ống trước và sau

tấm nghẽn

- Khi sử dụng tấm nghẽn

đo lưu lượng khí kết hợp

với van điều khiển, phải lắp đặt tấm nghẽn trước van điều khiển


Có nhiều cách bố

trí vòi lấy tín hiệu

áp suất được sử

dụng với tấm

nghẽn

- Các cách bố trí

thường gặp nhất

được trình bày ở

đây

Page 52


c. Đo độ chênh áp

- Việc chuyển đổi tín hiệu chênh

áp thành tín hiệu điện đòi hỏi

phải có một bộ biến đổi áp

suất vi sai (Δp)

- Việc lắp đặt đường ống dẫn áp

suất phải thận trọng để tránh

các vấn đề xảy ra do sự ngưng

tụ của các chất lỏng và các túi khí


d. Ứng dụng trong công nghiệp:

Lưu lượng kế

chênh áp EJA của

Yokogawa

- EJA lấy tín hiệu chênh áp được tạo ra từ tấm nghẽn.

- Nguyên lý hoạt động, cách lắp đặt, bố trí và các quy định của bộ chuyển đổi EJA cũng tuân theo các mục đã trình bày ở trên

Page 53


5. Lưu tốc kế cánh quạt

Dùng để đo tốc độ dòng chảy qua một ống dẫn, thường công tơ nước hoặc đo tốc độ của tàu biển


Page 54


6. Đo lưu lượng chất rắn bằng các loại cân băng tải

a. Nguyên lý đo

- Ngoài việc đo lưu lượng của chất lỏng, chất khí, trong các dây chuyền sản xuất, người ta còn quan tâm đến việc đo lưu lượng của chất rắn.

- Để đo được lưu lượng của các vật liệu rắn, trong các nhà máy công nghiệp thường sử dụng các loại cân băng tải

- Tốc độ của băng tải là tốc độ vật liệu được truyền tải v(m/s)

- Tải của băng truyền là trọng lượng của vật liệu được truyền tải trên một đơn vị chiều dài σ (kg/m)

- Lưu lượng dòng chảy của vật liệu được tính bằng: Q = σ.v


Cấu trúc chung của một hệ cân băng tải gồm các bộ phận

Page 55


b. Ứng dụng trong công nghiệp

- Cấu trúc của một hệ thống điều khiển lưu lượng chất rắn


Hai yếu tố chính cần quan tâm trong hệ điều chỉnh lưu lượng cân

băng tải

• Đo trọng lượng của nhiên liệu trên băng tải

• Điều chỉnh tốc độ động cơ

Page 56


2.1.10. Thiết bị chấp hành2.1.10.1. Giới thiệu chung

- Thiết bị chấp hành là thiết bị biến đổi đầu ra của bộ điều khiển

thành sự điều chỉnh vật lý để thực hiện việc thay đổi đầu vào của

quá trình

- Thiết bị chấp hành thường gặp:

Các rơle contactor, các thiết bị đốt nóng, các loại van (hoặc bơm) chất lỏng hoặc chất khí, các loại động cơ điện (quay hoặc tuyến tính): cuộn solenoid, DC, AC, động cơ bước….

- Trong điều khiển quá trình, loại thiết bị chấp hành phổ biến nhất là van điều khiển


Trong điều khiển quá trình, loại thiết bị chấp hành phổ biến nhất là van điều khiển. Thực tế có nhiều loại van điều khiển:

van điều khiển khí nén, điện khí nén, thuỷ lực, điện từ...

Page 57


Actors (Actuators)

About 10% of the field elements are actors (that influence the process).

Actors can be binary (on/off) or analog (e.g. variable speed drive)

The most common are:

- electric contactors (relays)

- heating elements

- pneumatic and hydraulic movers (valve, pump)

- electric motors (rotating and linear)

Solenoids,

DC motor

Asynchronous Motors (Induction)

Synchronous motors

Step motors, reluctance motors

Actors are controlled by the same electrical signal levels as sensors use

(4..20mA, 0..10V, 0..24V, etc.) but at higher power levels (e.g. to directly move a

contactor (disjoncteur).

Stellantriebe, Servomoteurs


Drives (variateurs de vitesse, Stellantriebe)

Variable speed drives control speed and acceleration and protect the motor

(over-current, torque, temperature).

High-power drives can feed back energy to the grid when braking (inverters).

Drives is an own market (“Automation & Drives”)

simple motor control cabinet for power of > 10 kW small drive control < 10 kW

(Rockwell)

Motors are a separate business

Page 58


Linear Motors

source: LinMot (/www.linmot.com)


Hydraulics and fluidics…

Pumps, valves, rods,…

source: www.bachofen.ch

fluidic switches

switchboard ("Ventilinsel")

the most widespread actor in industry

(lightweight, reliable, cheap)

I/P or E/P = electro-pneumatic transducers

Page 59



2.1.5 Transducers

2.1 Instrumentation

2.1.1 Market

2.1.2 Binary instruments

2.1.3 Analog Instruments

2.1.4 Actors

2.1.5 Transducers

2.1.6 Instrumentation diagrams

2.1.7 Protection classes

2.2 Control

2.3 Programmable Logic Controllers

Page 60


Transducer

A transducer converts the information supplied by a sensor (piezo, resistance,…)

into a standardized signal which can be processed digitally.

Some transducers have directly a digital (field bus) output and are integrated

in the sensor.

Other are located at distances of several meters from the sensor.


Example of analog transducer

Emergency panel

PLC

Control Room

CurrentTransformer

0..1A rms

Field house

Transducer

4..20 mA R = Load

High voltage

Protection

Page 61


4-20 mA loop standard

The transducer acts as a current source which delivers a current between 4 and 20 mA,

proportional to the measurand (Messgrösse, valeur mesurée).

Information is conveyed by a current, the voltage drop along the cable induces no error.

0 mA signals an error (wire disconnection)

The number of loads connected in series is limited by the operating voltage (10..24 V).

e.g. if (R1 + R2+ R3) = 1.5 k, i = 24 / 1.5 = 16 mA, which is < 20 mA: NOT o.k.)

Simple devices are powered directly by the residual current (4mA) allowing to transmit

signal and power through a single pair of wires.

Transducer instrument

1

instrument

2

instrument

3

0, 4..20 mA

R1 R2 R3

Object

i = f(v)

10..24V

voltage

source

measurand


Analog measurements processing in the transducer

Acquisition (Erfassung/Saisie)

Correction of pressure and temperature measurement for moist gases,correction of level in function of pressure, power and energy computation, cumulative measurements

Range, Limit supervision, Wire integrityError report, diagnostic, disabling.

Combined measurement

Plausibility

Filtering against 50Hz/60Hz noise and its harmonicsScaling,Linearization of sensors (Pt100, Fe-Const), correction (square root for flow).Averaging and Computation of Root Mean Square (Effektivwert, valeur efficace),Analog-Digital Conversion

Shaping (Aufbereitung/conditionnement)

Normalized Signals: 0-10V, 2-10V, (0/4-20mA), ±20mA, Resistance thermometer (Pt100), Thermo-element

Page 62


2.1.6 Instrumentation diagrams: P&ID

2.1 Instrumentation

2.1.1 Market



2.1.4 Actors

2.1.5 Transducers



2.2 Control



Instrumentation Diagrams

Similarly to electrical schemas, the control industry (especially the chemical and

process industry) describes its plants and their instrumentation by a

P&ID (pronounce P.N.I.D.) (Piping and Instrumentation Diagram),sometimes called P&WD (Piping and wiring diagrams)

The P&ID shows the flows in a plant (in the chemical or process industry) and the

corresponding sensors or actors.

At the same time, the P&ID gives a name ("tag") to each sensor and actor, along with

additional parameters.

This tag identifies a "point" not only on the screens and controllers, but also on the

objects in the field.

Page 63


P&ID example

4, Combustor C2

2, Air Heater C1

3, SOFC Outlet

3, SOFC Inlet

TA51B

TI

TETETEPT

TA51A

TI

TA51C

TI

Chimney

Emission

Analysis

PT22

PI

TA22B

TI

TE TE TE PT

TA22A

TI

TA22C

TI

Process Air Exhaust

Blow Off Valve

BE

10 x

TE

TC2M1 - M10

TI

FLAMDETC2

BS

Ingnitor

Box

BE

10 x

TE

TC1M1 - M10

TI

Fuel Supply

SSVGAS3

IC

Atmosphere

PT21

PI

TA21B

TI

TE TE TE PT

TA21A

TI

TA21C

TI

Rotary block valve

V52

IC

TETA62

TI

7, Heat

exchanger

6, Recuperator

TE

Latchable

Check Valve

S

SVGAS2

IC

FLAMDETC1

BS

TA32B

TI

TE TE TE

TA32C

TI

TA32A

TI

PT32

PI

PT

TY

IP

Regulator Valve

TY

IP

SVGAS1

IC

S

S

EMICO

E

EMIUHC

E

EMICO2

E

EMIO2

E

EMINOX

E

AIT

AIT

AIT

AIT

AIT

PT51

PI

Fro

m s

am

ple

pro

be

at

C1

exit

TBVCOOL

ICTBVDEP

IC

PT

TE

PT12

PI

TA12

TI

IGNITC2

IC

TW72

TI

PTPT52

PI

TETA52

TI

G

AC Grid

Modulatable

Load

PCS1,

C

5,

T

LOP

PI

SPEED

SI

PTST

0, A

ir I

nle

t

PT

TE

PT02

PI

TA02

TI

SV12

IC

R

Ingnitor

Box C1

IGNITC1

IC

Piping and Instrumentation Diagram for MTG100FC Engine Tests

S

VPPWMC2

IC

FO

VMPWMC2IC

S

S

VMPWMC1IC

S

S

S

VPPWMC1

IC

FO

Fuel flow C2 MFM

Fuel flow C1 MFM


P&ID

The P&ID mixes pneumatic / hydraulic elements, electrical elements

and instruments on the same diagram

It uses a set of symbols defined in the ISA S5.1 standard.

Examples of pneumatic / hydraulic symbols:

pipe

valve

binary (or solenoid) valve (on/off)

350 kW heater

vessel / reactor

pump, also

heat exchangeranalog valve (continuous)

one-way valve (diode)

Page 64


Instrumentation identification

V1528

FIC

S

tag name of the

corresponding

variable

here: V1528

function

(here: valve)

mover

(here: solenoid)

The first letter defines the measured or initiating variables such as Analysis (A), Flow (F),

Temperature (T), etc. with succeeding letters defining readout, passive, or output functions such

as Indicator (I), Record (R), Transmit (T), see next slides, here: flow indicator digital


ISA S5.1 General instrument or function symbols

Primary location

accessible to

operator

Field mounted

Auxiliary location

accessible to

operator

Discrete

instruments

Shared

display, shared

control

Computer

function

Programmable

logic control

1. Symbol size may vary according to the user's needs and the type of document.2. Abbreviations of the user's choice may be used when necessary to specify location.3. Inaccessible (behind the panel) devices may be depicted using the same symbol but with a dashed horizontal bar.Source: Control Engineering with data from ISA S5.1 standard

Page 65


Example of P&ID

FT101 is a field-mounted flow

transmitter connected via

electrical signals (dotted line) to

flow indicating controller FIC

101 located in a shared

control/display device

Square root extraction of the

input signal is part of FIC 101’s

functionality.

The output of FIC 101 is an electrical signal to TY 101

located in an inaccessible or behind-the-panel-board location.

The output signal from TY 101

is a pneumatic signal (line with

double forward slash marks)

making TY 101 an I/P (current

to pneumatic transducer)

TT 101 and TIC 101 are

similar to FT 101 and FIC 101

but are measuring,

indicating, and controlling

temperature

TIC 101’s output is connected

via an internal software or

data link (line with bubbles) to

the setpoint (SP) of FIC 101

to form a cascade control

strategy


The ISA code for instrument type

First letter

Measured or initiating variable Modifier

A AnalysisB Burner, combustionC User's choiceD User's choice DifferentialE VoltageF Flow rate Ration (fraction)G User's choiceH HandI Current (electrical)J Power ScanK Time, time schedule Time rate of changeL LevelM User's choice MomentaryN User's choiceO User's choiceP Pressure, vacuumQ Quantity Integrate, totalizerR RadiationS Speed, frequency SafetyT TemperatureU MultivariableV Vibration, mechanical analysisW Weight, forceX Unclassified X axisY Event, state, or presence Y axisZ Position, dimension Z axis

Page 66


Common connecting lines

Connection to process, or

instrument supply

Pneumatic signal

Electric signal

Capillary tubing (filled system)

Hydraulic signal

Electromagnetic or sonic signal

(guided)

Internal system link

(software or data link)Source: Control Engineering with data from ISA S5.1 standard


2.1.7 Protection Classes

2.1 Instrumentation

2.1.1 Market



2.1.4 Actors

2.1.5 Transducers



2.2 Control


Page 67


German IP-Protection classes

2nd digit water

0 none

1 vertically falling

2 vertically dropping, 15° from vertical

3 spraying, 60° from vertical

4 spraying, any direction

5 jet, any direction

6 strong jet, any direction

• protection against temporary dipping

(30 mn, 1 m)

• protection against permanent dipping

• 9K water in high-pressure steam

washing

1st digit touching objects

0 none

1 large body object > 50 mm Ø

surface

2 finger object >12.5 mm Ø

3 tools, wires object > 2.5 mm Ø

4 covered object >1 mm Ø

5 dust

6 hermetical

for dust

e.g. IP 67 connector


Explosion protection

Instruments that operate in explosive environments

(e.g. petrochemical, pharmaceutical, coal mines,...) are subject to particular restrictions.

e.g.

They may not contain anything that can produce sparks or high heat,

such as electrolytic capacitors or batteries without current limitation.

Their design or programming may not be altered after their acceptance.

Their price is higher than that of standard devices because they have to undergo

strict testing (Typentest, type test) by a qualified authority (TÜV in Germany)

Such devices are called Eex - or "intrinsic safety devices" (Eigensichere Geräte, "Ex-Schutz",

protection anti-déflagrante, "Ex" ) and are identified by the following logo:

Page 68


European Explosion-Proof Code

Eex-devices are "safe" (certified) to be used in an explosive environment.

They must have passed a type test at TÜF (Germany), UL (USA),...

Swiss Norm: "Verordnung über Geräte und Schutzsysteme in explosionsgefährdeten Bereichen"


Assessment

How are binary process variables measured ?

How are analogue process variables measured ?

How is temperature measured ?

What is the difference between a thermocouple and a thermoresistance ?

How is position measured (analog and digital) ?

What is a Grey encoder ?

How is speed measured ?

How is force measured ?

What is a P&ID ?

What is a transducer ?

How does a 4..20 mA loop operate ?

Page 69

Documents

2.1 Cảm biến và thiết bị chấp hànhtnu.edu.vn/sites/quynhntt/Bi ging chia s/industrial automation/2.1.pdf · xác định bởi giá trị đo ... - Nếu bộ cảm biến