L ỜI GIỚI THIỆU
4. Cảm biến lưu lượng
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
89
đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng … Trên thịtrường, các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳứng 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 vềđộ 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 cảmôi 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 quảđo.
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.
4.1 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 sẽtính được lưu lượng thể tích dòng chảy.
Hình 6.18: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice)
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.
90
Hình 6.19: Đo lưu lượng dạng Orifice
Đo lưu lượng bằng Venturi
Venturi đo lưu lượng được sử dụng đểđo lường sựổn 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.
Hình 6.20: Đo lưu lượng dạng Venturi
Đo lưu lượng bằng Nozzle
Hình 6.21: Đo lưu lượng bằng Nozzle
Đo lưu lượng bằng Pitot
Hình 6.22: Đo lưu lượng bằng Pitot
Lưu ý:
91 nghiệp cần lưu ý các điểm sau:
- Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổđiển, 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 lỗorifice, điểm trích lỗđo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗđo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy.
Hình 6.23: Một số hình ảnh về cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất
4.2 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 độđiện 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.
92
Hình 6.24: Cảm biến lưu lượng điện từ
Lưu ý:
Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến các điểm sau: - Chỉ có thểđo chất lỏng có khảnăng 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 thịlưu lượng; - Giá thành cao hơn.
Hình 6.25: Một số hình ảnh vềlưu lượng cảm biến điện từ