Các loại cảm biến đo lưu lượng

Cảm biến đo lưu lượng vận tốc dòng chảy và lưu lượng

Nhiều dụng cụ đo lưu lượng đã được phát triển để đo lưu lượng; nó là một trong những chủ đề phức tạp nhất trong điều khiển quá trình. Trong mục này, chúng ta tìm hiểu những ví dụ về các cảm biến đo lưu lượng sử dụng các nguyên lý sau đây:

Áp suất sai lệch (chênh áp - Differential Pressure)
Tạo độ xoáy (Vortex/Swir generation)
Từ trường (Electromagnetic)
Thế chỗ (Positive displacement)
Tua bin
Cảm biến khối lượng (Mass)
Nhiệt

Một trong những công dụng phổ biến nhất của cảm biến đo lưu lượng là xác định lưu lượng của vật liệu qua đường ống với kích thước biết trước. Nhớ rằng lưu lượng là lượng chất lỏng, chất dạng vữa, khí hoặc thậm chí cả chất rắn dạng bột đi qua trong một khoảng thời gian xác định.
Máy đo lưu lượng có thể đo :

Lưu lượng thể tích – là thể tích trên một đơn vị thời gian như gallons trên phút

(gal/min, gpm) hoặc feet khối trên phút (ft³/min)

Lưu lượng khối lượng - là khối lượng trên một đơn vị thời gian như pounds trên

giây (lb/sec) hoặc pounds trên phút (lb/min)

Vận tốc dòng chảy – là khoảng cách trên một đơn vị thời gian như feet trên phút

(ft/min)
Mối quan hệ cơ bản giữa lưu lượng và vận tốc là:
Lưu lượng thể tích = Vận tốc x diện tích tiết diện ngang của đường ống
Trong hình 1, chúng ta thấy đường kính của hai ống có kích thước khác nhau ảnh hưởng như thế nào đến vận tốc dòng chảy khi xét cùng lưu lượng.

Hình 1

Các yếu tố xem xét

Mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc
Tổng năng lượng của bất cứ dòng chất lỏng nào cũng được tạo nên từ 3 thành phần: áp suất, vận tốc và độ cao. Số lượng của mỗi thành phần có thể thay đổi, nhưng tổng năng lượng vẫn không đổi trừ khi năng lượng bị lấy đi hay thêm vào chất lỏng. Ví dụ, một tách nước khi nằm trên đỉnh của tòa nhà vẫn không có áp suất hoặc vận tốc, nhưng nó có độ cao lớn. Nếu nó bị đổ ra ngoài, chất lỏng sẽ trao đổi năng lượng của độ cao cho vận tốc. Khi nó chạm vào đất, nó không còn vận tốc hoặc độ cao nhưng nó tác động một lực lớn vào mặt đất do năng lượng của vận tốc đã chuyển đổi thành áp suất. Khi lực va chạm đã được truyền tới đất, nước thực chất không còn năng lượng nữa.
Dòng chất lỏng chảy qua đường ống tác động cũng giống như thế. Nếu một lưu lượng thể tích cho trước được cho qua một đường ống nhỏ hơn, vận tốc sẽ tăng lên và áp suất giảm vì chất lỏng đã trao đổi năng lượng của áp suất cho năng lượng của vận tốc.
Nếu máy đo lưu lượng thể tích duy trì không đổi, áp suất sẽ thấp hơn ở nơi chất lỏng di chuyển với tốc độ nhanh nhất.

Hình 2
Độ nhớt, khối lượng riêng và ma sát là những yếu tố quan trọng phải xem xét khi chọn loại cảm biến lưu lượng sao cho nó thật phù hợp với quá trình đã xác định. Độ nhớt là ma sát nội trong bản thân vật chất, nó có ảnh hưởng đến sự chuyển động của vật chất khi chảy trong đường ống. Độ nhớt càng cao thì lực cản dòng chảy càng lớn. Mật ong là một ví dụ về chất lỏng có độ nhớt cao. Nó không chảy dễ dàng như sữa khi mà độ nhớt của sữa thấp.

Khối lượng riêng là khối lượng trên một đơn vị thể tích vật liệu. Ví dụ về đơn vị khối lượng riêng là pounds trên foot khối (lb/ft³) hoặc pounds trên gallon (lb/gallon) hoặc gam trên centimet khối (g/cm³). Khối lượng riêng của khí tùy thuộc vào thành phần cấu tạo, nhiệt độ và áp suất của nó. Bởi vì chất lỏng thì không chịu nén như chất khí, khối lượng riêng của chất lỏng là một hàm số của thành phần cấu tạo và nhiệt độ của nó. Chất lỏng nặng hơn sẽ khó đẩy hơn và sẽ chảy chậm hơn khi cùng chịu một lực tác dụng (áp suất đặt lên tiết diện ngang của đường ống) so với chất lỏng nhẹ hơn.
Biết được lưu lượng chính xác chỉ khi loại chất lỏng, nhiệt độ, áp suất và lưu lượng cho quá trình phù hợp với đặc tính kỹ thuật được thiết kế của cảm biến. Khi vật liệu quá trình, lưu lượng hoặc các điều kiện nằm ngoài dải đo đã xác định, cần thiết phải hiệu chuẩn lại cảm biến hoặc thay đổi cảm biến bằng một loại khác phù hợp với điều kiện hiện tại.
Khối lượng riêng được sử dụng để chuyển đổi giữa lưu lượng thể tích và lưu lượng khối lượng. Ví dụ, đối với dầu:
Lưu lượng thể tích x khối lượng riêng = Lưu lượng khối lượng
Ví dụ: 5 gpm x 7.2lb/gal = 36 lb/min

Ma sát

Cùng với ma sát nội liên quan đến độ nhớt, ma sát cũng là sự cản trở đối với dòng chảy của vật chất do sự tiếp xúc của dòng chảy với thành ống hoặc do sự tắc nghẽn. Ống càng nhám hoặc số lượng các đoạn khúc khuỷu, các van, các đầu nối càng nhiều thì ma sát càng lớn. Ma sát xảy ra khi vật liệu chảy qua đường ống dẫn đến sự mất mát áp suất hệ thống vĩnh viễn và tạo thành nhiệt. Trong khi sự tổn thất áp suất thường là hiển nhiên, bất kỳ sự thay đổi nhiệt độ nào đều không đáng kể so với các nguồn nhiệt khác.

Các dạng dòng chảy

Khối lượng riêng, ma sát và độ nhớt có thể ảnh hưởng đến dạng dòng chảy trong ống. Dạng dòng chảy có thể đoán trước bằng toán học từ đường kính ống, vận tốc dòng chảy, khối lượng riêng và độ nhớt. Hình 3 minh họa các ví dụ về 3 loại dòng chảy cơ bản. Các ví dụ này là cùng một lưu lượng, chỉ khác nhau về các yếu tố khác của dòng chảy. Hầu hết các thiết kế cảm biến lưu lượng dựa vào dòng chảy hỗn loạn đồng nhất cho các phép đo chính xác.

Hình 3
Bạn nhận thấy rằng, dòng chảy qua đường ống bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác ngoài phạm vi của tài liệu này, như là:

Chỗ uốn cong của ống
Góc tạo bởi đường ống so với phương ngang
Khoảng cách di chuyển
Khả năng chịu nén của khí

Hầu hết các thiết kế cảm biến lưu lượng đều giả sử là dòng chảy hỗn loạn đồng nhất để đo lưu lượng thể tích. Để tránh dòng chảy hỗn loạn không đồng nhất, thường phải lắp đặt một “meter run” của đường ống thẳng không gây tắc nghẽn dòng chảy phía trước và sau cảm biến để tạo một dòng chảy tương đối đồng nhất. Thường sử dụng đường ống thẳng có đường kính 20-25 phía trước cảm biến và đường kính 5-10 phía sau cảm biến. Trong một số trường hợp, những mãnh kim loại mỏng được lắp đặt bên trong ống song song với dòng để đảm bảo có dòng chảy đồng nhất. Nếu không có được dòng chảy đồng nhất, độ chính xác của cảm biến lưu lượng sẽ bị ảnh hưởng.

Áp suất sai lệch

Kiểu cảm biến đo lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất là dựa vào phép đo áp suất rơi trên một đoạn ống thu hẹp. Bởi vì lượng lớn thông tin và các thí nghiệm sẵn có, các cảm biến kiểu dựa vào sự thu hẹp đường ống này cho kết quả có độ chính xác cao khi được sử dụng chính xác.
Các ống “venturi”, các tấm “orifice” và các “nozzle” là những ví dụ về các thiết bị giảm áp thường được đặt trong đường ống quá trình để đo lưu lượng. Cả ba đều tạo nên một chênh lệch áp suất mà có thể dễ dàng đo được và từ đó tính được lưu lượng thể tích. Một số ưu điểm của phương pháp này là:

Giá thành tương đối thấp
Dễ lắp đặt và thay thế
Không có bộ phận chuyển động
Thích hợp với nhiều loại vật liệu, dải nhiệt độ và áp suất hoạt động rộng.

Máy đo lưu lượng hoạt động dựa vào sự giới hạn sử dụng một yếu tố đó là khi chất lỏng có lưu lượng thể tích không đổi bị buộc đi qua một vùng giới hạn, vận tốc dòng chảy khi đó sẽ tăng lên để đảm bảo cùng một lượng chất lỏng đi qua trong cùng một khoảng thời gian. Sự thay đổi về vận tốc làm giảm áp suất tĩnh nơi mà dòng chảy tăng tốc. Áp suất trên mỗi phía của vùng giới hạn có thể đo được nhờ sử dụng đồng hồ đo áp suất hoặc thiết bị cảm biến áp suất chênh lệch. Một đồng hồ áp suất được đặt phía trước vùng giới hạn, và cái còn lại được đặt nơi dòng chảy hẹp nhất và có vận tốc cao nhất. Vận tốc dòng chảy qua vùng giới hạn có thể được tính toán từ việc đo áp suất chênh lệch nếu đặc tính của vật chất chảy qua ống là biết trước. Mỗi khi dòng chất lỏng tăng gấp đôi, độ chênh lệch áp suất tăng 4 lần. Quan hệ áp suất lưu lượng này là một hàm căn bậc hai.

Các tấm “orifice” là thiết bị giới hạn được sử dụng phổ biến nhất. Tấm “orificie” được đặt trong dòng chảy quá trình giữa hai mặt bích nằm trên các ống nằm ngang hay thẳng đứng. Hình 5 là một ví dụ về một tấm “orifice” tiêu biểu. Dòng chảy bị giới hạn khi đi qua tấm “orifice” có lỗ hở 1,345 inch.

Phía vào của tấm “orifice” thường được đánh dấu trên tay cầm của nó. Nếu không, phía vào có thể được nhận dạng bằng cách kiểm tra lỗ khoan. Nếu nó có một cạnh xiên, cạnh xiên là phía ngõ ra. Nếu lỗ khoan không có cạnh xiên, đây là loại tiêu biểu cho các tấm “orifice” dùng cho ống có kích thước lớn, không cần phân biệt mặt nào là phía vào hay ra. Thông thường, các tấm “orifice” được đánh dấu các thông tin nhận dạng bên phía mặt vào.

Các tấm “orifice” có thể có các lỗ hở có hình dáng và vị trí khác nhau tùy theo đặc tính
của chất lỏng mà chúng được thiết kế cho phù hợp:

Nếu dòng chất lỏng chứa bọt khí hoặc chứa chất khí có xu hướng tập trung trên đỉnh ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép các bọt khí đi qua đó mà không qua lỗ hở đo lường.

Cũng giống như thế, nếu dòng chảy quá trình là chất khí có thể bị ngưng tụ, phần ngưng tụ này sẽ tập trung ở đáy của đường ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép chất lỏng đi qua mà không phải đi qua lỗ chính gây sai lệch kết quả đo.

Máy đo lưu lượng trình bày một phương pháp đặt các lỗ lấy áp suất trên đường ống nếu sử dụng tấm “orifice” để đo lưu lượng. Chúng được gọi là bán kính hoặc lỗ D – D/2. Cách khác là lỗ hoặc lỗ mặt bích 2½D – 8D. 2½D – 8D có một lỗ cách tấm “orifice” một đoạn 2½ lần đường kính ống về phía trước và một lỗ khác cách tấm “orifice” một đoạn 8 lần đường kính ống về phía sau. Một cấu hình khác là lỗ mặt bích, cấu hình này rất phổ biến và được lắp đặt trong mặt bích để có thể giữ luôn tấm “orifice”.

ví dụ ở hình 8, giả sử một van được mở trên đường ống, và lưu lượng thể tích tăng gấp đôi. Nếu chúng ta sử dụng các phép toán phức tạp để tính lưu lượng từ các giá trị áp suất đo được, chúng ta nhận thấy rằng độ chênh lệch áp suất qua tấm “orifice” không tăng gấp đôi tương ứng, nhưng lại tăng 4 lần. Điều này là bởi vì lưu lượng thể tích tỷ lệ tuyến tính với căn bậc hai của độ chênh lệch áp suất chứ không phải chính độ chênh lệch áp suất. Bảng ở hình 9 sau đây đưa ra sự so sánh giữa sự thay đổi độ chênh áp (inch nước) với lưu lượng tương ứng được tính theo phần trăm thang đo, pounds/giờ, và gallons/phút.

Áp suất sai lệch (inchs H₂O)	Lưu lượng (gal/phút)	Lưu lượng (lbs/giờ)	% thang đo
100	50.0	25,000	100.0%
90	47.4	23,171	94.9%
80	44.7	22,361	89.4%
75	43.3	21,651	86.6%
60	38.7	19,365	77.5%
50	35.3	17,678	70.7%
40	31.6	15,811	63.2%
30	27.4	13,693	54.8%
25	25.0	12,500	50.0%
20	22.3	11,180	44.7%
10	15.8	7,906	31.6%
6.25	12.5	6,250	25.0%
5	11.2	5,590	22.4%
0	0.0	0	0.0%

Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng (Cảm biến kiểu Vortex)

Cảm biến độ xoáy sử dụng một đặc tính khác của chất lỏng để xác định lưu lượng. Khi một dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào một dốc đứng đặc vuông góc với dòng chảy sẽ tạo ra các vùng xoáy. Tốc độ tạo xoáy trong dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng tăng. Các cảm biến lưu lượng kiểu xoáy này được tạo ra để hoạt động với chất lỏng, khí hoặc hơi.
Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có 3 phần:

Thân gián đoạn dòng chảy – có chức năng tạo ra các kiểu xoáy định trước tùy thuộc vào hình dáng thân.
Một cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các

xung điện.

Một bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức năng gởi tín

hiệu đã được hiệu chuẩn đến các thành phần khác của vòng điều khiển.
Hình 2.70 trình bày một kiểu dòng chảy tiêu biểu trong đường ống chứa các phần tử cảm
biến độ xoáy.