Cảm biến lưu lượng bạn chọn loại nào?

CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG 

Trong số 9 công nghệ cảm biến lưu lượng đưuọc trình bày ở đây, chắc chắn sẽ có một cảm biến thỏa mãn nhu cầu ứng dụng của bạn. Cảm biến lưu lượng được dùng để đo cả dòng chất khí lẫn chất lỏng trong nhiều ứng dụng giám sát và điều khiển. Có thể xác định dòng chảy theo nhiều cách khác nhau (ví dụ, theo khối lượng, thể tích, lớp và sự hỗn loạn). Lượng các chất đang chảy (dòng khối) thường là một trong những yếu tố được quan tâm, và thể tích dòng chảy dễ đo nhất khi mật độ lưu chất không đổi. Một số công nghệ đo được cả dòng chất khí lẫn chất lỏng; còn một số khác thì được áp dụng riêng cho từng đối tượng cần đo.

Tốc độ dòng chảy thường được tính bằng cách lấy vận tốc đo được của dòng chảy trong đường ống, ống dẫ hoặc dạng cấu trúc khác nhân với diện tích tiết diện đã biết tại điểm đo. Bài báo này sẽ xem xét chín công nghệ và thiết bị phổ biến nhất được dùng để đo lưu lượng chất khí, chất lỏng hoặc cả hai.

Phong kế nhiệt

Phong kế nhiệt (hoặc “dây nóng”) hoạt động trên nguyên lý lượng nhiệt tỏa ra từ một cảm biến nhiệt độ (được làm nóng từ nước) và được hấp thụ bởi dòng chất lưu có thể liên quan tới vận tốc của chất lưu. Cảm biến này thường sử dụng một cảm biến nhiệt độ thứ hai chưa được làm nóng để bù cho sự thay đổi nhiệt độ không khí. Cảm biến dây nóng có các loại như thiết bị đo đơn điểm nhằm phục vụ mục đích kiểm tra, hoặc theo chuối đo đa điểm được lắp đặt cố định. Khi đo lưu lượng chất khí tốc độ thấp, các cảm biến loại này tốt hơn loại cảm biến áp lực vi sai, và thường được áp dụng để đo vận tốc không khí trong phạm vi từ 50 tới 120fpm (feet per minute).

Cảm biến áp suất vi sai

Lưu lượng kế đo áp suất kiểu vi sai là loại thiết bị được sử dụng phổ biến nhất, đặc biệt đối với chất lỏng. Cảm biến này hoạt động theo nguyên lý rằng độ giảm áp suất trên một mét tỉ lệ bình thường tốc độ dòng chảy. Tốc độ dòng chảy được xác định bằng cách đo vi sai áp suất và khai căn bậc hai kết quả đó.

Các thiết bị loại này, cũng như hầu hết các lưu lượng kế khác, đều có hai thành phần : sơ cấp và thứ cấp. Thành phần sơ cấp làm thay đổi động năng, gây ra áp suất vi sai trong ống. Thiết bị phải phù hợp với kích cỡ đường ống, điều kiện dòng chảy, và các đặc tính của chất lỏng cần đo. Thành phần thứ cấp đo áp suất vi sai và cho tín hiệu đầu ra, tín hiệu này được chuyển thành giá trị thực tế của dòng chảy.

Để đo dòng chất khí, người ta hay dùng các thiết bị áp suất vi sai ống pitot (Hình 1) và một loạt các loại ống, lưới cũng như chuỗi đo áp suất, vận tốc khác. Thành phần cảm nhận được kết hợp với máy phát áp suất vi sai tốc độ thấp để tạo ra tín hiệu tỉ lệ thuận với căn bậc hai của vận tốc dòng chảy. Các phần tử cảm nhận được kết hợp với đầu phát áp suất vi sai vận tốc thấp để phát ra môt tín hiệu tỷ lệ thuận với căn bậc hai vận tốc chất lưu.

Một ống pitot gồm 2 ống có nhiệm vụ đo áp suất tại các vị trí khác nhau trong đường ống. Một ống đo áp suất tĩnh; ống còn lại đo áp suất tổng ( áp suất tĩnh + áp suất động). Tốc độ dòng chảy càng nhanh thì áp suất tổng càng lớn. Ống pitot dựa trên sự chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh để tính toán tốc độ dòng chảy. Ống pito rẻ, nhưng có nhược điểm là chỉ đo chất lưu tại một điểm duy nhất và phải được lắp đặt tại điểm có dòng chảy lớn nhất. Sự thay đổi biên dạng vận tốc có thể gây ra sai số lớn. Ống pitot cũng có nguy cơ dễ bị tắc nghẽn. Các ống pitot cũng có nguy cơ dễ bị tắc nghẽn. Các ống pitot cũng có nguy cơ dễ bị tắc nghẽn. Các ống pitot cũng có nguy cơ dễ bị tắc nghẽn. Các ống pitot thông thường có vài cổng để đo nhiều vị trí cổng để đo nhiều vị trí, điều này cho phép tính toán tới biên dạng thay đổi của vận tốc (hình 2).

Hình 2: Đo áp suất động bằng áp kế ống chữ U

Một số hệ thống đo lưu lượng dựa trên áp suất kiểu vi sai bao gồm đầu phát có thể tách căn bậc hai của áp suất đo được bằng kỹ thuật điện tử và phát ra một tín hiệu tỷ lệ thuận với áp suất đo được và dựa vào hệ thống điều khiển để tính toán căn bậc hai. Sau khi xác định được vận tốc, có thể tính toán lưu lượng bằng cách nhân với tiết diện mặt cắt của đường ống. Tầm và độ phân giải của đầu phát áp suất sẽ giới hạn phạm vi vận tốc có thể đo được. Hầu hết các thiết bị đo áp suất kiểu vi sai bị hạn chế ở mức vận tốc nhỏ nhất trong khoảng 400-600 fpm. Vận tốc lớn nhất chỉ giới hạn bởi độ bền của cảm biến.

Để đo dòng chất lỏng, các thiết bị đo lưu lượng bằng áp suất kiểu vi sai thường đo áp suất động (loại có ống gài vào) hoặc sự giảm áp suất trên một khu vực giới hạn đã biết. Màng chắn đo, vòi phun lưu lượng, ống venturi, và ống pitot là các thiết bị điều tiết lưu lượng hay được sử dụng.

Cảm biến có ống gài vào thường có một ống với nhiều đầu ra đặt ngang chiều rộng của dòng chất lưu, cho biết giá rị chênh lệch vận tốc trung bình trên khắp ống, và một thiết bị đo màng ngăn bên trong đặt giữa các đầu ra ở thượng lưu và hạ lưu của dòng chảy, tại đây đo được áp suất vi sai. Các dụng cụ đo này có suy hao áp suất vĩnh cửu thấp và có thể đáp ứng được yêu cầu những ứng dụng phổ biến.

Thiết bị đo màng ngăn li tâm (Hình 3) là thiết bị đo áp suất vi sai đơn giản và rẻ nhất. Thiết bị này thắt dòng chảy của một chất lưu và sinh ra một áp suất vi sai trên tiết diện màng ngăn, gây lên áp suất cao ở thượng lưu và áp suất thấp ở hạ lưu, các áp suất này tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc dòng chảy. Thiết bị đo màng ngăn thường sinh ra suy hao áp suất tổng lớn hơn các phần tử đo lưu lượng khác.

Ống Venturi ( hình 4) là loại thiết bị áp suất vi sai lớn nhất và có giá thành cao nhất. Nguyên lý làm việc của ống Venturi là thu hẹp dần đường kính của ống và đo mức suy giảm áp suất tương ứng. Đoạn ống mở rộng phía sau sẽ đưa áp suất dòng chảy trở lại gần giá trị ban đầu. Và cũng giống như trường hợp sử dung thiết bị đo màng ngăn, giá trị đo áp suất vi sẽ được chuyển thành dòng chảy tương ứng. Ống Venturi thường được dùng cho các ứng dụng đo đường ống có đường kính lớn, cần độ suy giảm áp suất thấp và độ chính xác giá trị đọc cao.

Vòi phun lưu lượng thực chấy là một dạng khác của ống venturi, với một đầu vòi phun đóng vai trò vật cản dòng chảy dạng elip, tuy nhiên thiết bị này không có khu vực đường ra để khôi phục áp suất dòng chảy như ở ống venturi. Các khe đo áp suất được đặt ở phía hạ lưu của dòng chất lưu môt khoảng gần bằng ½ đường kính của ống và đặt phía thượng lưu một khoảng bằng đường kính của ống.

Vòi phun lưu lượng là một lưu lượng kế vận tốc cao được dùng khi rối cao ( số Reynold vượt quá 50.000), và trong các ứng dụng đo lưu lượng hơi. Sự suy giảm áp suất của ống phun lưu lượng nằm giữa chỉ số suy hao của ống venturi và màng đo ngăn (30%-95%).

Các thiết bị đo áp suất kiểu vi sai có những ưu điểm sau: giá thành thấp, vận hành và lắp đặt đơn giản, và hiệu quả hoạt động được thực tế kiểm nghiệm. Đây là một công nghệ quen thuộc. Nhược điểm của chúng có thể là suy hao công suất vĩnh cửu, tích tụ bụi bẩn và gây ra tắc nghẽn, một số thiết bị còn có kích cỡ lớn, cồng kềnh, và không còn phù hợp để đo một số loại lưu chất nhất định.

Cảm biến dòng xoáy

Các cảm biến này hoạt động trên nguyên lý Von Karman, nguyên lý này phát biết rằng: khi một lưu  chất chảy xung quanh một vật cản (một vật có dạng dốc đứng thì các dòng xoáy được tạo ra phía hạ lưu của vật đó). Tần số tạo dòng xoáy tỷ lệ thuận với vận tốc lưu chất. Cũng như các loại thiết bị đo dòng không khí khác, các ống dẫn loại nhỏ được đo bằng một cảm biến còn các ống lớn hơn được đo bằng chuỗi các cảm biến. Cảm biến dòng xoáy thường được sử dụng để đo không khí có vận tốc từ 350 đến 6000 fpm và có mức độ phù hợp tương tự cho các phép đo tốc độ dòng chảy hay toàn bộ dòng. Không nên sử dụng để đo các dung dịch sền sệt hoặc chất lỏng có độ nhớt cao.

Cảm biến lưu lượng đo độ dịch chuyển dương

Các thiết bị đo lưu lượng này được dùng khi cần sự chính xác cao về phạm vi “high turndown” (tỉ số giữa toàn bộ dải đo của thiết bị so với lưu lượng nhỏ nhất có thể đo được) và sự suy hao áp suất vĩnh cửu đó sẽ không gây ra mức tiêu thụ năng lượng quá lớn. Thiết bị này hoạt động bằng cách tách chất lỏng thành các đoạn để đo và đẩy chúng đi. Một thanh ghi nối vào sẽ đếm mỗi đoạn này. Loại cảm biến này hữu ích để đo lưu lượng chất lỏng nhớt hoặc trong trường hợp chỉ cần một công tơ mét cơ khí duy nhất. Các loại lưu lượng kế dịch chuyển dương phổ biến là: thiết bị đo dạng thùy và bánh răng, đĩa lắc, van xoay, và công-tơ pitong dao động. Những lưu lượng kế loại này thường được làm từ đồng thau, đồng thiếc, và gang, nhưng cũng có thể được làm từ nhựa tổng hợp, tùy theo từng ứng dụng.

Do cảm biến này cần khoảng dung sai nhỏ giữa các bộ phận chuyển động của chúng, nên những chất rắn lơ lửng trong dòng chảy có thể gây ra sự cố về măt cơ khí. Các thiết bị đo này có sẵn đồng hồ chỉ thị lưu lượng và bộ cộng có thể đọc được một cách thủ công. Cảm biến lưu lượng đo độ dịch chuyển dương có giá thành khá cao.

Lưu lượng kế tuabin

Thiết bị đo kiểu tua-bin và cánh quạt hoạt động trên nguyên lý chất lỏng khí chảy qua một tua bin hoặc cánh quạt sẽ làm rô-to quay với vận tốc có quan hệ trực tiếp tới tốc độ dòng chảy. Các xung điện có thể được đếm và cộng lại. Lưu lượng kế tuabin có sẵn loại được khoan  toàn bộ, lắp theo hàng và loại được lắp vào, trong trường hợp chỉ một phần lưu lượng được đo đi qua phần tử quay. Lưu lượng kế tuabin , khi được đặc tả và lắp đặt hợp lý, sẽ có độ chính xác cao, đặc biệt với những chất lỏng có độ nhớt thấp. Loại lắp vào đưuọc dùng  cho các ứng dụng ít phức tạp hơn. Các thiết bị này thường dễ bảo trì và kiểm tra hơn bởi vì có thể tháo ra mà không làm ảnh hưởng đến hệ thống ống dẫn chính.

Lưu lượng kế khối lượng

Yêu cầu về phép đo lưu lượng có độ chính xác cao hơn trong các quá trình liên quan tới khối lượng như phản ứng hóa học và trao đổi nhiệt đã dẫn tới sự phát triển của các lưu lượng kế khối lượng. Trong số những cảm biến khổi lượng hiện có, loại phổ biến nhất là lưu lượng kế Coriolis, được thiết kế dựa trên hiện tượng có tên gọi là lực Coriolis. Trái với phương pháp đo lưu lượng theo thể tích, lưu lượng kế Coriolis là thiết bi đo khối lượng thực sư, trực tiếp đo tốc độ khối lượng dòng chảy. Vì khối lượng không thay đổi nên thiết bị đo này tuyến tính mà không cần điều chỉnh khi đặc tính chất lỏng thay đổi. Hơn nữa, thiết bị không cần bù khi có thay đổi về điều kiện nhiệt độ và áp suất. Các thiết bị đo này đặc biệt hữu ích để đo chất lỏng có độ nhớt thay đổi theo vận tốc với nhiệt độ và áp suất cho trước.

Lưu lượng kế Coriolis có sẵn với nhiều kiểu thiết kế. Một thiết bị thông dụng bao gồm một ống đo lưu lượng chữ U được đặt trong lớp vỏ bọc của cảm biến, được nối với một khối điện tử. Thiết bị cảm nhận có thể được lắp thẳng vào bất cứ quá trình nào, và khối điện tử có thể được đặt cách cảm biến tới 500 ft. Bên trong vỏ bọc, ống đươc rung tại tần số tự nhiên bằng một thiết bị từ tính tại chỗ uốn cong của ống. Điều này tương tự như sự rung của một âm thoa, có tầm bao phủ <0.1 in. và thực hiện một chu kỳ đủ gần 80 lần/giây. Khi chất lỏng chảy qua ống, nó chịu thêm tác động chuyển động theo chiều thẳng đứng của ống. Điều này khiến chất lỏng có tác dụng lên ống một lực, làm nó bị xoắn cong. Mức độ xoắn cong tỷ lệ trực tiếp với tốc độ dòng chảy khối lượng của chất lỏng chảy trong ống. Các cảm biến từ đặt ở hai bên ống lưu lượng sẽ đo vận tốc bên trong, vận tốc này thay đổi khi ống xoắn cong. Cảm biến đưa thông tin tới khối điện tử, có nhiệm vụ xử lý và biến đổi nó thành điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ lưu lượng khối lượng. Lưu lượng kế này có phạm vi ứng dụng rộng rãi, từ các chất mài mòn, mạ tới nitơ lỏng.

Lưu lượng kế điện từ

Các cảm biến này (hình 6) hoạt động dựa trên Luật cảm điện từ Faraday, phát biếu rằng một điện áp sẽ được cảm ứng khi một vật dẫn điện chuyển động qua một từ trường. Chất lỏng cũng là chất dẫn điện, và từ trường được tạo ra bằng các cuộn dây được cung cấp năng lượng bên ngoài ống đo lưu lượng. Điện áp được sinh ra tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy. Các điện cực được lắp trên thành ống sẽ cảm nhận điện áp cảm ứng, điện áp này được đo bởi phần tử thứ cấp.

Lưu lượng kế điện từ được dùng để đo tốc độ lưu lượng của chất lỏng dẫn điện (bao gồm cả nước), trong đó cần một hệ thống chất lượng cao, vận hành thấp. Giá thành của cảm biến từ khá cao so với các loại khác, nhưng các ứng dụng quan trọng của chúng bao gồm đo các chất lỏng phức tạp và ăn mòn, các dung dịch sền sệt, và phép đo lưu lượng ngược.

Cảm biến lưu lượng bằng sóng siêu âm

Cảm biến lưu lượng bằng sóng siêu âm có thể được chia làm hai loại: cảm biến hiêu ứng Doppler và cảm biến chuyển tiếp (hoặc thời gian – hành trình). Cảm biến hiệu ứng Doppler đo sự dịch chuyển tần số do dòng chất lỏng gây ra. Hai bộ chuyển đổi được đặt trong một khối vỏ được gắn vào một bên của ống dẫn và môt tín hiệu của tần số đã biết được phát tới chất lỏng cần đo. Bong bóng, chất rắn hoặc bất cứ sự gián đoạn nào trong dòng chảy đều khiến xung siêu âm này được phản xạ tới phần từ thu. Vì chất lỏng gây ra sự phản xạ này đang chảy, nên tần số của sự lệch xung phản hồi sẽ tỷ lệ thuận với vận tốc chất lỏng.

Với thiết bị đo kiểu chuyển tiếp, bộ chuyển đổi tín hiệu được lắp trên mặt bên của đường ống, sao cho sóng âm truyền giữa các thiết bị nghiêng một góc 45^o so với hướng dòng chảy. Tốc độ tín hiệu truyền đi giữa các bộ chuyển đổi tín hiệu tăng hoặc giảm theo hướng truyền và vận tốc của chất lỏng cần đo. Có thể xây dựng được quan hệ thời gian – vì sai tỉ lệ với dòng chảy bằng cách phát luân phiên tín hiệu theo cả hai hướng. Một hạn chế của loại cảm biến này là chất lỏng đang được đo phải tương đối không có các chất rắn hoặc khí được hút vào để giảm thiểu sự phân tán và hấp thụ tín hiệu.

Các lưu lượng kế siêu âm không tiếp xúc và giá thành khiêm tốn. Hiện tại có sẵn nhiều mô  hình được thiết kế để có thể gá lên ống dẫn.

Phong kế lase hiệu ứng Doopler (laser Doppler anemometer- LDA) là một kỹ thuât quen thuộc, được sử dụng rộng rãi tronng các phép đo động chất lưu ở chất lỏng và chất khí. Độ nhạy phương hướng và tính không tiếp xúc của thiết bị LDA khiến chúng hữu ích trong các ứng dụng với dòng ngược, môi trường trung gian có phản ứng hóa học và nhiệt độ cao, và các máy móc quay, trong đó các cảm biến hoạt vật lý có lẽ khó hoặc không thể sử dụng được. Kỹ thuật này, tuy nhiên, cần các phân tử đánh dấu trong dòng chảy.

Dùng thiết bị LDA để đo lưu lượng dòng chảy sẽ đem lại các lợi ích chính như sau:

• Không tiếp xúc
• Không cần quá trình so kiểm
• Khoảng cách dải đo từ cm đến mm
• Dải tốc độ từ 0 đến tốc độ siêu âm
• Đo sự đảo chiều dòng chảy
• Độ phân giải cao theo không gian và thời gian

Cấu hình cơ bản của một thiết bị LDA (hình 7) bao gồm:

• Đèn laze sóng tiếp tục
• Hệ thống phát quang học, bao gồm bộ chia tia, và 1 thấu kính hội tụ
• Hệ thống thu quang học, bao gồm một thấu kính hội tụ, một bộ lọc nhiễu và một bộ tách sóng quang
• Thiết bị chuẩn bị tín hiệu và bộ xử lý tín hiệu

Nguyên lý chung của thiết bị LDA là sẽ phát một tia laze đơn sắc tới mục tiêu cần đo và thu bức xạ được phản xạ. Theo hiệu ứng Doppler, sự thay đổi bước sóng của bức xạ phản xạ là một hàm của vận tôc tương đối của đối tượng cần đo. Do đó, đo sự thay đổi bước sóng của ánh sáng laze phản xạ có thể giúp xác định vận tốc. Điều này có thể thực hiện được bằng cách hình thành một mẫu vân giao thoa (mẫu ánh sáng và các đường kẻ sọc tối) bằng cách chồng lên tín hiệu ban đầu và tín hiệu phản xạ.

Pin Bragg thường được dùng làm bộ chia tia. Đây là một tinh thể thủy tinh áp điện rung. Hiện tượng rung này sinh ra sóng âm đóng vai trò như một lưới quang học. Hai tia sáng có cường độ như nhau đi vào pin Bragg, với tần số f₀ và f_SHIFT, và chúng được hội tụ vào các bộ lọc quang, bộ phận này sẽ đưa chúng tới cực dò. Tại cực dò, các tia tới song song đi vào từ bộ lọc được hội tụ bởi một thấu kính để cắt một khu vực được gọi là thể tích đo. Mật độ ánh sáng được điều chế bằng sự giao thóa giữa các tia laze, điều này tạo ra các mặt phẳng song song có cường độ ánh sáng cao được gọi là vân. Khoảng cách vân d₁ được xác định bằng bước sóng ánh sáng laze và góc giữa các tia:

d_f=

Thông tin liên quan tới tốc độ dòng chảy thu được từ ánh sáng được tán xạ bằng các hạt nhỏ xíu được “cấy thêm vào” dòng chất lỏng khi chúng di chuyển trong thể tích đo. Ánh sáng tán xạ bao hàm sự dịch chuyển tần số Doppler f_D – tỷ lệ thuận với thành phần vận tốc vuông góc với đường phân giác được tạo bởi hai tia laze, tương ứng với trục X của thể tích đo.

Thấu kính thu sẽ tập hợp ánh sáng tán xạ và hội tụ ánh sáng này vào bộ tách sóng quang chỉ cho phép bước sóng đạt yêu cầu đi qua, đồng thời loại bỏ nhiễu từ ánh sáng xung quanh và từ các bước sóng khác. Bộ tách sóng quang sẽ chuyển cường độ ánh sáng biến thiên thành tín hiệu, tức là tín hiệu đồng bộ màu Doppler. Tín hiệu đồng bộ màu Doppler được lọc và khuếch đại trong bộ xử lý tín hiệu, bộ phận này sẽ xác định giá trị hệ số f_D cho mỗi hạt, thường bằng cách phân tích tần số nhờ thuật toán biến đổi Fourier nhanh chóng.

Khoảng cách vân d_f cho biết thông tin về quãng đường hạt đi được. Hệ số dịch chuyển tần số Doppler f_D cho biết thông tin về thời gian t = 1/f_D. Vì vận tốc bằng quãng đường chia cho thời gian, do đó biểu thức vận tốc sẽ là:

V = d_f X f_D

Thông thường, các chất lỏng thường có đủ các hạt “tự nhiên”, nhưng các chất khí thường phải được “cấy” thêm hạt. Lý tưởng nhất là các hạt nên có kích thước đủ nhỏ để di chuyển được theo dòng chất lưu, nhưng cũng phải đủ lớn để có thể tán xạ đủ lượng ánh sáng cần thiết nhằm đạt được tỷ số tín hiệu trên tạp âm thuận lợi tại đầu ra của bộ tách sóng quang. Kích cỡ của hat thường nằm trong khoảng 1- 10 ifm. Kích cỡ của hạt thường trong khoảng 1-10ifm. Vật liệu hạt có thể là chất rắn (dạng bột) hoặc chất lỏng (ở dạng giọt nhỏ).