Hiệu ứng Coriolis là xu hƣớng lệch quỹ đạo về một phía của vật thể di chuyển trên bề mặt trái đất do chuyển động tự quay xung quanh của nó từ Tây sang Đông. Hiệu ứng Coriolis làm cong dòng chảy sang bờ bên phải (bờ bên phải bị xói mòn nhiều hơn) so với hƣớng dòng chảy chính ở Bắc bán cầu và làm cong dòng chảy sang bờ bên trái ở Nam bán cầu. Hiện tƣợng này đƣợc nhà toán học, vật lý ngƣời Pháp Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843) phát hiện năm 1835.
Hiệu ứng của lực Coriolis xuất hiện trong bất kỳ hệ quay nào. Hình vẽ dƣới mô tả hiệu ứng Coriolis xuất hiện khi có ba yếu tố sau: khối chất, vật thể quay và sự chuyển động tƣơng đối của khối chất so với chuyển động quay của vật thể mang khối chất.
27 Theo Định luật 1 Newton về trạng thái chuyển động thì vật thể chuyển động sẽ giữ nguyên vận tốc và hƣớng di chuyển trừ khi nó chịu tác động của ngoại lực. Lực Coriolis là một ngoại lực nên nó làm cho khối chất chuyển động theo quỹ đạo cong trên vật thể quay thay vì chuyển động theo đƣờng thẳng.
Lực Coriolis tỷ lệ trực tiếp với khối lƣợng của khối chất chuyển động, vận tốc chuyển động hƣớng tâm của khối chất và vật tốc góc quay quanh trục: Fcor = 2.m.*v (Trong đó: Fcor-Vector lực Coriolis, m – Khối lƣợng, - vector vận tốc góc quay, v – vận tốc chuyển động hƣớng tâm của khối chất, * là toán tử nhân hai vetor). Nhƣ vậy, nếu đo đƣợc lực Coriolis và biết đƣợc vận tốc chuyển động hƣớng tâm và vận tốc góc quay thì sẽ xác định đƣợc khối lƣợng. Đây chính là nguyên lý hoạt động của cảm biến Coriolis sử dụng trong đo lường khối lượng chất lỏng
Cảm biến đo theo nguyên lý Coriolis có nhiều dạng: loại đơn giản bao gồm 1 đoạn ống thẳng hoặc loại gồm đoạn hình chữ U đơn hoặc đôi, hình Omega...Tùy theo từng ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật đo khác nhau mà lựa chọn loại cảm biến Coriolis phù hợp. Ví dụ đối với dòng chảy nối tiếp hay trong các ứng pha trộn hoặc muốn đo lƣu tốc ở giải thấp hay trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác rất cao thì chọn loại ống đo đôi – cong ( chữ U hay Omega...). Ngƣợc lại trong các ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác vừa phải hay khi không gian lắp đặt cảm biến hẹp thì lựa chọn cảm biến Coriolis ống thẳng.
Cảm biến đo theo nguyên lý Coriolis đơn giản bao gồm một đoạn ống để cho chất lỏng chảy qua, đặt cố định tại hai đầu và sử dụng một nam châm điện chủ động tạo ra dao động cho đoạn ống ở tần số cộng hƣởng (tức là tạo chuyển động quay quanh trục cho vật thể mang khối chất). Tùy thuộc vào chất liệu chế tạo, kích thƣớc đoạn ống, tần số dao động của ống đƣợc đặt các giá trị khác nhau và ống này sẽ dao động với biên độ phù hợp. Khi chất lỏng đứng im, lực Coriolis của khối chất lỏng bằng 0. Ngƣợc lại khi chất lỏng chảy qua ống đo thì lực Coriolis sinh ra chống lại sự dao động này. Sự đối lập này làm uốn ống xoắn ống nhƣ hình vẽ sau:
28
Hình 3.3: Ống thẳng – đơn khi không có dòng chảy (no flow) và có dòng chảy
Nếu tại đầu ra (điểm B) và đầu vào (điểm A) của ống dẫn ta đặt các cuộn dây đo (sensor coil 1, 2) thu tín hiệu dao động thì do hiệu ứng Coriolis nên ở đầu ra của 2 cuộn dây đo (sensor coil 1, 2) ta thu đƣợc 2 tín hiệu sine lệch pha nhau. Giá trị lệch pha này tỉ lệ trực tiếp với lƣu tốc khối lƣợng chảy qua ống.
Hình 3.4: Sự lệch pha của tín hiệu đầu ra trên hai cuộn dây đo xuất hiện do hiệu ứng Coriolis
29 Để tăng tính kháng nhiễu trong môi trƣờng công nghiệp, nâng cao độ chính xác kết quả đo và tăng độ nhạy khi đo ở dải lƣu tốc thấp thì thiết bị đo Coriolis dạng chữ U, ống đôi đƣợc sử dụng. Thiết bị đo Coriolis loại này bao gồm 2 ống đo hình chữ U giống hệt nhau, dao động ngƣợc chiều nhau, và gắn cố định với hộp trong. Hộp trong này gắn với hộp ngoài, mà hộp ngoài sẽ nối với mặt bích để ghép cảm biến vào đƣờng ống chính. Cấu trúc này cho phép loại bỏ hầu hết các tác động của ngoại lực và rung động bên ngoài đến hệ thống đo – dao động của ống đôi U. Cuộn dây đo dao động đƣợc bố trí trên một ống trong khi nam châm điện đƣợc gắn vào ống kia. Nhờ cấu trúc này, ống đôi U không bị ảnh hƣởng bởi rung động bên ngoài.
Hình 3.5: Thiết bị đo Coriolis loại ống đôi U
Đối với các cảm biến Coriolis thì biên độ dao động của ống thƣờng bị giới hạn dƣới 1mm và trong thiết kế tối ƣu là khoảng 20% giá trị cực đại cho phép, để đảm bảo không bị rạn nứt hay gãy ống đo. Mức xoắn của ống đo, dƣới tác động của lực Coriolis là rất nhỏ, chỉ khoảng vài nano mét đến vài chục micro mét.
Nhiệt độ môi trƣờng đo không chỉ làm thay đổi tần số dao động ống mà còn làm ống đo dễ bị uốn cong. Chính vì vậy nhiệt độ cần phải đƣợc đo nhƣ là đại lƣợng độc lập và dùng nó nhƣ giá trị bù đầu vào, đặc biệt việc bù nhiệt độ để chống lại sự “mềm dẻo” của ống đo khi nhiệt độ tăng. Do vậy các cảm biến Coriolis cũng thƣờng có thêm bộ phận đo nhiệt độ RTD để cho biết nhiệt độ môi trƣờng đo. Tuy nhiên độ chuẩn xác của phép đo nhiệt độ này không cao, nên thƣờng không sử dụng đầu ra này trong điều khiển giám sát quá trình công nghệ.
30