Nguyên lý đo lưu lượng , cảm biến đo mức, đo áp suất trong các thiết bị đo hiện nay

Hiện nay, trong các nhà máy sử dụng rất nhiều các thiết bị đo : máy đo lưu lượng, cảm biến đo mức , máy đo áp suất, máy đo khí,…Nhưng người dùng sử dụng thường không hiểu sâu về nguyên lý các thiết bị đo, các đại lượng trong máy đo.
Sau đây là một số kiến thức cơ bản các thiết bị đo lưu lượng, cảm biến đo mức, đo áp suất,…

Tìm hiểu một số đại lượng nguyên lý kỹ thuật đo mức

Các loại vật liệu : chất rắn, chất lỏng, chất sệt, mặt cách ly. Phương pháp mức : thổi bọt khí, chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạt nhân, radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba, ….

Kiểu đo mức : đo liên tục và đo điểm.

Những tác nhân của quá trình đo lường ảnh hưởng đến độ chính xác: áp suất, nhiệt độ, cánh khuấy, chất ăn mòn, bọt nổi, môi trường nguy hiểm và mức độ độc hại của hoá chất.

Những tác nhân ảnh hưởng khi thay đổi về vật liệu: tỷ trọng, thành phần hoá
học, vật liệu bám dính, đặc tính về điện, …

Và không có kỹ thuật nào là hoàn hảo cho mọi ứng dụng.

Chỉ có khái niệm cái này hay hơn cái kia mà thôi.

Thổi bọt khí: rẻ, đơn giản, dễ lắp. hiển thị mức liên tục, chỉ đo được chất
lỏng.

Độ dẫn điện: rẻ, đơn giản hơn loại trên, không có bộ phận di chuyển, đo điểm, dùng cho chất lỏng dẫn điện, dễ bị ảnh hưởng bởi lớp vật liệu bám dính trên điện cực.

Chênh áp: thông dụng, đo liên tục, giá hợp lý, dễ lắp đặt nhưng thị phần càng ngày càng giảm. Dễ bị ảnh hưởng bởi tỷ trọng của vật liệu, không phù hợp khi đo các chất lỏng có dạng hột, khoảng đo nhỏ rất khó sử dụng, đặc biệt lưu ý đến sự ăn mòn của hoá chất.

Displacer: đo mức liên tục mặt cách ly, giới hạn mức dịch chuyển, rất ít các phần tử dao động. Khi tỷ trọng thay đổi phải hiệu chuẩn lại. Khi bị bám dính phải bù đầu vào, không tốt lắm trong ứng dụng đo mức có cánh khuấy. Khi dải đo tăng lên thì phí đầu tư cũng tăng lên đáng kể.

Công tắc khoảng hở: cấu trúc đơn giản, dễ lắp, chống được sự ảnh hưởng của bọt khí. chỉ dùng phát hiện mức dạng điểm, giới hạn về mức nhiệt độ. Phao : Phương pháp này không giới hạn về mức cao của bồn, độ chính xác không cao, phí đầu tư thấp nếu không có phần hiển thị từ xa, giới hạn về mức áp suất làm việc. Cho kết quả đo liên tục & đo điểm. Khi đo điểm có thể đo được cả mặt cách ly. Đối với chất lỏng sệt +hột là không phù hợp, cánh khuấy cũng ảnh hưởng đến độ chính xác.

Loadcell: đo khối lượng, tiện dụng cho hầu hết các vật liệu chứa trên silo. dễ ảnh hưởng bởi đá, băng tuyết cũng như sức gió.

RF Admittance: kỹ thuật mới cho việc đo điểm cũng như liên tục, dải áp suất nhiệt độ làm việc rộng, đo được mọi chất liệu. Khi hằng số điện môi của vật liệu thay đổi dẫn đến việc thay đổi cảm biến và bộ truyền phù hợp. Không bị ảnh hưởng bởi sự bám dính trên cảm biến.

Hạt nhân: đo không tiếp xúc, lắp bên ngoài bồn cần đo mức. Phù hợp với môi trường nhiệt độ áp suất cao, vật liệu ăn mòn. Giá cực cao, khi sử dụng phải có giấy phép sử dụng, chứng nhận và kiểm tra. Khả năng rò rỉ phóng xạ cũng là điều người sử dụng rất e ngại
Siêu âm: Kỹ thuật đo liên tục không tiếp xúc, không có phần tử dịch chuyển. Nhạy cảm về vị trí hơn các kỹ thuật khác. Ảnh hưởng bởi hơi nước, bọt khí, dải nhiệt độ và áp suất làm việc không cao cũng như cấu trúc bên trong bồn bể. Không thể hoạt động trong môi trường chân không.
Radar: đo mức liên tục với độ chính xác cao. bỏ qua hơi nước. Điều kiện làm việc giới hạn bởi dải áp suất làm việc thấp. Có thể đo được mức mặt cách ly.
Các cách đo mức chất lỏng và nguyên lý làm việc thiết bị đo lưu lượng

Nhu cầu về những hệ thống tự động hóa xử lý tinh vi, sự nghiêm ngặt của những quy chuẩn trong điều khiển quá trình, và những yêu cầu ngày càng khắt khe trong môi trường đo mức khiến kỹ sư quá trình phải đi tìm những hệ thống đo mức tin cậy hơn, chính xác hơn. Kết quả đo chính xác cao hơn làm giảm thiểu những khả năng sai lệch trong quá trình xử lý hóa chất (đề cập trong bài viết này là hoá chất ở dạng lỏng), nâng cao chất lượng của sản phẩm đầu ra, giảm chi phí và lãng phí.
Những công nghệ đo mức tiên tiến hiện nay có thể giúp các kỹ sư dễ dàng tìm được thiết bị ưng ý, đáp ứng được những yêu cầu nêu trên.

Sự giao thời trong công nghệ đo mức

Thiết bị đo lưu lượng, cảm biến đo mức đơn giản và cổ nhất trong công nghiệp là một loại bình trong suốt. Là phương pháp đo thủ công truyền thống và nó có nhiều hạn chế: vật liệu của thiết bị có thể bị ăn mòn, chịu sự tác động của môi trường; con người phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo; có thể xảy ra tình trạng cháy, nổ dễ rò rỉ chất lỏng qua nắp, và cặn của chất lỏng có thể hạn chế tầm nhìn. Do có quá nhiều hạn chế, nên thiết bị này nhanh chóng bị các thiết bị công nghệ tiên tiến hơn thay thế.

Một máy đo lưu lượng, thiết bị đo mức khác dựa vào trọng lực, đó là thước đo kiểu phao. Một chiếc phao đơn giản được thả nổi trên bề mặt chất lưu. Chiếc phao này chịu sự tác động từ lực của chất lưu và không khí phía trên làm nó nổi trên bề mặt và dao động theo mức chất lưu. Bên cạnh đó, một thiết bị khác cũng được sử dụng rộng rãi để xác định mức chất lưu đó là đầu đo thủy tĩnh.

Trên đây là những máy đo lưu lượng, thiết bị đo mức đơn giản, đã quen thuộc với người sử dụng. Nhưng khi xuất hiện những nguyên tắc và ứng dụng đo mức trở nên phức tạp hơn, thì đây là lúc ngành công nghiệp đo mức chuyển mình với sự ra đời của những công nghệ mới sử dụng máy tính để tính toán. Khi công nghệ đo mức gắn với công nghệ máy tính thì dữ liệu từ cảm biến truyền về hệ thống điều khiển và giám sát phải ở dạng máy có thể đọc được. Trong đó, những dạng tín hiệu đầu ra hữu dụng là dạng tín hiệu ở dạng điện mạch vòng (current loops), điện áp tương tự (analog voltages), và tín hiệu số (digital signals). Tín hiệu điện áp tương tự là dạng tín hiệu dễ thiết lập và giải mã, tuy nhiên nó lại dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn và yếu tố ngoại vi khác. Tín hiệu điện mạch vòng 4-20 mA là dạng tín hiệu thông dụng ngày nay. Dạng tín hiệu này có thể truyền ở khoảng cách xa mà ít bị suy hao. Dạng tín hiệu số được mã hóa dưới dạng nghi thức bất kỳ (như Foundation Fieldbus, Hart, Honeywell DE, Profibus, and RS-232) là dạng tín hiệu khỏe nhất. Tuy nhiên, đối với những công nghệ cũ như RS-232 thì tín hiệu số chỉ có thể được truyền ở khoảng cách nhất định. Còn đối với công nghệ không dây mới thì tín hiệu dưới dạng số có thể truyền được ở khoảng cách xa hơn nhiều mà hầu như không ảnh hưởng gì đến chất lượng tín hiệu truyền.

Khi càng xuất hiện những công nghệ đo tiên tiến (như siêu âm, ra đa, laze) thì dạng tín hiệu mã hóa cũng càng tinh vi hơn, đòi hỏi phải có máy tính số thông minh để định dạng mã tín hiệu. Cùng với đó là nhu cầu liên lạc tiên tiến và hệ thống định dạng số cho chúng ta những lời giải thích về xu hướng tiến tới sử dụng máy tính vi xử lý nhúng trong hầu hết những thiết bị đo mức (hình 1).

Những công nghệ đo mức đã "trưởng thành"

Trong bài viết này chúng ta coi độ đậm đặc của khí ở khoảng trống trong bình là không đáng kể so với độ đậm đặc của chất lưu cần đo. Ngoài ra, cũng coi chất lưu cần đo trong bình chứa chỉ là một loại duy nhất, bất biến.

Một số trong những công nghệ đo mức có thể dùng để đo đa mức, trong đó
có 2 hay nhiều loại chất lỏng khác nhau trong cùng một bình chứa.

- Phao. Phao có nguyên lý làm việc rất đơn giản. Phao là một vật nổi đặt trên mặt nước do trọng lực của chất lỏng và không khí phía trên tác động. Để theo dõi mức độ dao động của chất lỏng, ta gắn một thiết bị cơ khí với phao. Những hệ thống phao đầu tiên sử dụng các thiết bị cơ khí như dây cáp, thước dây, ròng rọc và bánh răng để theo dõi mức dao động của chất lỏng.
Những kiểu đo này cho độ chính xác không cao. Ngày nay, một loại phao
phổ dụng đó là phao từ.

Những bộ phát tín hiệu mức đầu tiên đi kèm với phao là những thiết bị cho tín hiệu tương tự hoặc rời rạc sử dụng một mạng thiết bị điện trở và bộ chuyển mạch nhiều lưỡi gà. Do cho giá trị đo rời rạc, nên giá trị đo giữa các bước tín hiệu bị bỏ qua.

- Thiết bị thủy tĩnh. ống thủy, phương pháp đo bằng bong bóng và bộ phát
tín hiệu áp suất vi sai đều được gọi là thiết bị đo thủy tĩnh.

ống thủy hoạt động dựa trên định luật ác-si-mét. Như trong hình 2 ta thấy, ống thủy được nhúng trong chất lưu. Chất lưu trong ống thủy đậm đặc hơn ở ngoài bình chứa. Khi chất lưu trong bình chứa dâng thì chất lưu trong ống thủy cũng dâng tương ứng. Mức chất lưu trong ống thủy thay đổi sẽ tạo ra một áp lực, và một bộ chuyển đổi nối với bộ phát tín hiệu làm nhiệm vụ kiểm soát sự thay đổi áp lực đó. Qua đó ta biết được sự thay đổi mức chất lưu trong bình chứa.
Cảm biến mức kiểu bong bóng (hình 3) có 1 ống dẫn khí xuống đáy bình chứa để tạo bong bóng. Khi khí được dẫn vào, áp suất trong ống sẽ tăng cho đến khi thắng được áp suất của chất lỏng trong bình. Một bộ chuyển đổi được nối với ống dẫn khí để giám sát sự tăng áp trong ống. Từ áp suất đo được sẽ tính ra mức chất lỏng trong bình chứa.

Cảm biến áp suất vi sai được mô tả như trong hình 4. Loại cảm biến này đo mức bằng cách đo độ chênh lệch áp suất tổng ở đáy bình chứa và áp suất tĩnh hay còn gọi là áp suất của khoảng không khí trong bình chứa để tính ra mức của chất lỏng. Loại cảm biến này lấy không khí bên ngoài làm tham chiếu. Như trong hình 4 ta thấy, trên nóc bình chứa có một lỗ thông khí nhằm cân bằng không khí trong bình chứa và không khí môi trường bên ngoài. Không giống như cảm biến đo mức bằng bong bóng khí, cảm biến áp suất vi sai có thể sử dụng trong môi trường nén áp.

Loadcell (cầu điện trở đo áp lực). Loadcell hay thước đo độ biến dạng/cầu điện trở đo áp lực là một loại giá đỡ cơ khí được trang bị một hay nhiều cảm biến đo độ lệch/nghiêng của giá đỡ. Khi lực tác động vào loadcell thay đổi làm cho giá đỡ cũng thay đổi theo và tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng. Các loadcell được thiết kế phù hợp với mọi kích cỡ thiết bị (từ thiết bị nhỏ có trọng lượng vài gam đến thiết bị có trong lượng tính bằng tấn).

Loadcell đo mức bằng cách chuyển đổi trọng lực của chất lỏng tác động nên nó thành tín hiệu có thể đọc được. Khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng, thì lực tác động lên loadcell cũng tăng và ngược lại. Lợi thế của loadcell là đo không tiếp xúc với chất lỏng nên nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng nhược điểm của nó là giá thành cao và tính năng bị giảm nhanh chóng theo thời gian.

Cảm biến đo mức từ tính

Cảm biến đo mức từ tính (hình 5) được lấy làm vật thay thế cho phương pháp đo bằng bình trong suốt. Thước đo từ tính có nguyên lý đo giống như phao, nhưng có điểm khác là chúng xác định mức bằng từ tính. Một chiếc phao từ tính đặt trong ống phụ gắn thông 2 đầu với bình chứa. Do vậy, khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng thì mức chất lỏng trong ống phụ cũng sẽ tăng tương ứng hoặc ngược lại. Và phao từ tính trong ống phụ cũng dâng lên hoặc hạ xuống tương ứng theo mức chất lỏng trong ống phụ. Một con thoi/màn hình hiển thị chuyển động theo phao từ tính, do vậy ta xác định được mức chất lỏng. Thước đo từ tính chỉ hoạt động được khi ống phụ được làm bằng vật liệu không hấp thụ từ tính. Thước đo từ tính có thể được sử dụng ở những nơi có nhiệt độ, áp suất cao, hay trong những chất lỏng ăn mòn.

Cảm biến đo mức bằng điện dung

Cảm biến mức điện dung (hình 6) hoạt động dựa trên sự khác biệt hằng số điện môi giữa chất lưu và không khí. Điều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp này là hằng số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí, thường là gấp đôi. Hằng số điện môi của không khí là khoảng 1.0; dầu có hằng số điện môi từ 1,8 đến 5; nước có hằng số điện môi ở giữa khoảng 50 đến 80. Khi mức chất lưu thay đổi thì hằng số điện môi cũng thay đổi tương ứng. Một loại tụ điện được gọi là cầu điện dung đo toàn bộ điện dung và cho tín hiệu đo liên tục.

Những công nghệ mới nổi máy đo lưu lượng

Có lẽ sự khác biệt lớn nhất giữa công nghệ đo mức tín hiệu liên tục trước đây và bây giờ đó là thời gian cho kết quả tín hiệu đo. Những thiết bị đo mới được trang bị công nghệ hiện đại ngày nay cho kết quả đo bằng cách đo khoảng cách giữa chất lưu và điểm đặt cảm biến hoặc bộ truyền tín hiệu tại nóc bình chứa. Những thiết bị này phát ra một sóng xung xuyên qua lớp không khí hoặc chất dẫn trong bình, gặp bề mặt chất lưu và dội ngược trở lại cảm biến. Một mạch điện định thời trong cảm biến đo tổng thời gian sóng xung phải di chuyển, chia đôi, và sau đó tính ra mức của chất lưu. Những công nghệ mới đã qua thử nghiệm và được chấp nhận rộng rãi là sóng siêu âm, sóng vi ba (ra-đa) và ánh sáng.

Cảm biến mức từ giảo. Từ giảo là công nghệ đã qua thực tế kiểm nghiệm và được công nhận là phương pháp đọc vị trí phao có độ chính xác cao.

Không giống như thiết bị cơ khí, bộ truyền tín hiệu từ giảo lấy tốc độ của
dạng sóng xoắn chạy dọc theo dây dẫn để phát hiện ra vị trí của phao.

Trong cấu trúc của một cảm biến mức từ giảo (hình 7), một chiếc phao có gắn các thanh nam châm vĩnh cửu. Dây cảm biến được nối với một cảm biến màng gốm áp điện, ống dẫn của cảm biến chạy xuyên qua lỗ của phao.

Để xác định vị trí của phao, bộ truyền tín hiệu phát đi một xung điện ngắn dọc theo dây cảm biến tạo nên một môi trường điện từ bao quanh chiều dài dây dẫn. Đồng thời mạch điện định thời cũng được kích hoạt cùng lúc. Từ trường của dây dẫn ngay lập tức tương tác với từ trường do nam châm gắn trên phao sinh ra. Kết quả là một lực xoắn được sinh ra dọc theo dây dẫn. Lực này bị dội ngược trở lại cảm biến màng gốm áp điện. Khi cảm biến cảm nhận được lực này, sẽ sinh ra một tín hiệu điện dừng hoạt động của mạch điện định thời. Mạch điện định thời đo khoảng thời gian từ lúc phát tín hiệu xung điện cho tới lúc cảm biến nhận được tín hiệu phản hồi. Từ những thông tin thu được, vị trí của phao được xác định chính xác và được hiển thị dưới dạng tín hiệu mức. Lợi ích của công nghệ này là tốc độ tín hiệu xác định được và bất biến trong những ứng dụng đo như nhiệt độ và áp suất. Ngoài ra, tín hiệu của công nghệ này không bị ảnh hưởng bởi bọt bong bóng, các chùm tia sáng hay âm thanh. Một lợi ích khác là chỉ có phao là thiết bị duy nhất phải chuyển động tương ứng với bề mặt chất lưu.

Cảm biến mức sóng siêu âm. Có nguyên lý đo gần giống như cảm biến từ giảo, cảm biến mức sóng siêu âm (hình 8) xác định mức bằng cách đo khoảng thời gian từ lúc truyền sóng tới lúc nhận được sóng phản hồi. Khác với cảm biến từ giảo, cảm biến mức sóng siêu âm sử dụng sóng ở dải tần số 10 KHz. Tốc độ truyền của sóng (340m/giây trong không khí ở 15 độ C) phụ thuộc vào loại khí và nhiệt độ của khí bên trong bình chứa.

Cảm biến mức tia laze. Được thiết kế đo dòng chất rắn, dung dịch đục như dầu nhớt, sữa... cảm biến mức tia laze có nguyên lý hoạt động đơn giản, tương tự nguyên lý hoạt động của cảm biến đo mức sóng siêu âm. Nhưng thay vì dùng tốc độ của âm thanh để xác định mức chất lưu, loại cảm biến này dùng tốc độ của ánh sáng để xác định mức (hình 9).

Cảm biến laze được đặt trên nóc bình chứa phát một tia laze xuống bề mặt chất lưu. Tia này bị dội ngược lại tới bộ phát hiện của cảm biến. Mạch điện định thời đo thời gian đi của tia sáng và tính toán ra mức của chất lưu. Lợi thế của tia laze là không bị phân tán, không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và được truyền thẳng qua không khí.

Phương pháp đo bằng tia laze có độ chính xác cao, ngay cả trong điều kiện môi trường hơi nước hay bọt bóng, và có khoảng cách đo lên đến 450m. Đây là phương pháp lý tưởng trong những bình chứa có nhiều vật cản. Đối với những ứng dụng có áp suất và nhiệt độ cao như trong lò phản ứng hạt nhân