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.

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 đo 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 đo 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.

Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn

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 ống và lỗ orifice.

Phân loại đo lưu lượng: có 4 loại

Đo lưu lượng dạng Orifice

Là đồng hồ đo lưu lượng nước bão hòa, hơi hóa nhiệt, khí nén, khí N2, O2, H2, nước, dầu.

Đo lưu lượng bằng Venturi

Venturi đo lưu lượng được sử dụng để đo lường sự ổn định một pha trong dây dẫn khép kín của dòng chất lỏng, thường được sử dụng trong các phep đo không khí, khí đốt, nước và dòng chảy chất lỏng khác.
Ưu điểm: Nếu bạn chính xác có thể được sản xuất hoàn toàn theo tiêu chuẩn ASME, độ chính xác có thể đạt 0,5%, nhưng vấn đề Venturi trong nước do công nghệ sản xuất của mình, chính xác là khó khăn để đảm bảo cựu chiến binh lực lượng kỹ thuật mạnh mẽ trong nước chỉ có thể đảm bảo 4 Khai Phong Nhà máy độ chính xác đo%, với điều kiện sản xuất điện cực siêu tới hạn, ống như quân bằng tỉ vòng sử dụng ở nhiệt độ cao và áp lực là một phần rất nguy hiểm, không sử dụng cân bằng vòng, không tuân thủ các tiêu chuẩn ASNE ISO5167, đo lường chính xác là không thể đảm bảo rằng đây là Venturi cổ điển cao trong sản xuất mộtmâuthuẫn.
Nhược điểm: đường ống và nhập khẩu / xuất khẩu của cùng một tài liệu, các chất lỏng trong ống xói mòn và mặc đo lường chính xác nghiêm trọng, lâu dài không được đảm bảo. Chiều dài của cấu trúc phải được sản xuất theo tiêu chuẩn ISO-5167 yêu cầu, hoặc không đạt được độ chính xác cần thiết, các tiêu chuẩn ISO-5167 của Venturi yêu cầu cấu trúc nghiêm ngặt cổ điển, làm cho nó đo lường tỉ suất lưu lượng tối đa / tối thiểu dòng chảy là rất nhỏ, thường là trong 3 - 5. khó khăn để đáp ứng lưu lượng dòng chảy đo lường biên độ lớn.

Đo lưu lượng bằng Nozzle

Đo lưu lượng bằng Pitot

Lưu ý:
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.

Một số hình ảnh về cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất:

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

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.

Với vận tốc v, ta có lưu lượng tính theo thể tích khi điện tích mặt cắt ngang

Lưu ý:

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.

Vai trò cảm biến đo lưu lượng

Lưu ý: