Đo lưu lượng chất lỏng, chất
khí trong công nghiệp
Tóm tắt
Đo lưu lượng đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì nó phục vụ cho mục đích kiểm
kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa các quá trình
sản xuất. Chính vì vậy việc hiểu rõ về phương pháp đo, cũng như nắm vững các đặc
tính của thiết bị đo lưu lượng là điều hết sức cần thiết.
Mở đầu
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí, chất lỏng,
hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩm-nước giải khát,
dầu mỏ- khí đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng … Trên thị trường,
các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp hay
dân dụng nào. Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lương loại nào cho ứng dụng cụ thể
thường dựa vào đặc tính chất lỏng (dòng chảy một hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc,
…), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng và yêu
cầu về độ chính xác phép đo. Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu
ra mở rộng cũng sẽ ảnh hưởng đến quyết định chọn lựa này. Nói chung, độ chính xác
của lưu lượng kế còn phụ thuộc vào cả môi trường đo xung quanh. Các ảnh hưởng của
áp suất, nhiệt độ, chất lỏng/khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh
hưởng đến kết quả đo.
Cảm biến đo lưu lượng trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường nhiễu cao và
thường bị xung áp. Điều này đòi hỏi các cảm biến đo lưu lượng phải hoạt động bình
thường cả với xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với độ
chính xác cao. Thông thường, trong công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín
hiệu 4-20mA giữa bộ truyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển. Bộ truyền tín hiệu đo
gắn với cảm biến đo lưu lượng có thể được cấp nguồn bởi chính mạch vòng 4-20mA
này hoặc bằng nguồn riêng. Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vòng 4-20mA có yêu
cầu rất khắt khe về công suất: tất cả các thiết bị điện thu thập/xử lý và truyền tin cần
phải hoạt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 4-20mA, chỉ những vi xử lý/vi điều
khiển tiêu thụ rất ít điện (ví dụ dòng vi điều khiển DSP) mới được kết hợp dùng chung
nguồn của mạch vòng 4-20mA. Bộ truyền tín hiệu với kết nối truyền số liệu dạng số
như tích hợp giao diện bus trường (Profibus, I/O Link) hoặc kết nối không dây ngày
càng phổ biến, vì chúng làm giảm thời gian khởi động và cho phép giám sát liên tục,
cũng như chẩn đoán lỗi. Tất cả các yếu tố này góp phần cải thiện đáng kể năng suất và
hiệu quả của hệ thống tự động hóa.
Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt động
của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện
từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm. Dưới đây, bài báo sẽ trình
bày tổng quát về nguyên tắc hoạt động, ưu điểm và nhược điểm, cũng như những đặc
tính của cảm biến lưu lượng chất lỏng, chất khí nhằm giúp người sử dụng chọn đúng
cảm biến cho ứng dụng của mình.
Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất
Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp
suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất
này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ
orifice, ống pitot và ống venture. Hình 1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo
ra nút thắt trên dòng chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối
lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó.
Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất
mặt ra. Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc
dòng chảy. Dựa vào vận tốc dòng
chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích
dòng chảy.
Hình 1: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất
kiểu lỗ tròn (orifice): chênh lệch áp suất trước và
sau lỗ tròn Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được
xác định từ biểu thức Q2=KΔp, p1 - áp suất
trước tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K - hệ số,
phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính
Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu
lượng loại này trong ứng dụng công
nghiệp cần lưu ý các điểm sau:
- cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ
bảo trì-bảo dưỡng;
- phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp;
- độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ;
- sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải
tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm;
- yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và
điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy.
Cảm biến lưu lượng điện từ
Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và được dùng
để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ
trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2). Theo định luật Faraday,
khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Điện áp này được
lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với
biên độ điện áp cảm ứng đo được.
Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC. Khi kích
hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệu xoay chiều. Điều
này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC. Tuy
nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu. Do đó, nó có thể gây
ra sai số tín hiệu đo. Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường là vấn đề lớn đối với
hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được. Bởi vậy, phương pháp kích
hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao.
Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC.
ống và lỗ orifice.
Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến
lưu lượng điện từ cần lưu ý đến các
điểm sau:
- chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng
dẫn điện;
- sự chọn lựa các điện cực thay đổi
tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo
đường ống và cách lắp đặt;
- không có tổn hao trong hệ áp suất,
nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng
thấp;
- rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như xi măng, thạch cao,
… vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắp đặt phía trong ống dẫn;
- độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng;
- giá thành cao hơn.
Cảm biến lưu lượng Coriolis
Đây là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến. Chúng thực hiện đo trực tiếp lưu
lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ống dẫn. Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi
ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạn cong (hình 3). Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ
dàng khi chế tạo, lắp đặt và bảo trì - bảo dưỡng nhưng thiết bị đo loại này rất nhạy
cảm với nhiễu và tác động bên ngoài. Cấu trúc của ống đôi cong cho phép loại bỏ được
nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống dẫn dòng chảy dao động ngược pha nhau nên
sẽ triệt tiêu được nhiễu.
Hình 2: Cảm biến lưu lượng điện từ: điến áp cảm
ứng E=KDBv, B - từ trường, D - chiều dài chất
dẫn điện (khoảng cách 2 điện cực đo điện áp
cảm ứng), v - vận tốc dòng chảy, K - hệ số.