CÁC LOẠI CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

1. CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

1.1. Vận tốc dòng chảy và lưu lượng

Nhiều dụng cụ đo 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 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 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:

1. 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)
2. 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)
3. 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 – Cảm biến lưu lượng

1.2. 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 mặt 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 chuyển tới đất nước thực chất không còn năng lượng nữa.

Dòng chất lỏng chảy qua đường ống tác động cũng giống như thế. Nếu 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 của vận tốc.

Nếu 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 – Cảm biến lưu lượng

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 nhớ 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 – Cảm biến lưu lượng

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

Chỗ uốn cong của ống

Góc tạo bởi đường ống so với ph

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 có đường kính 20-25 phía trước cảm biến và đường kinhsc-10 phía sau cảm biên. Trong một số trường hợp, những mãnh kim lo dòng để đảm bảo có dòng chảy đồng nhất. Nếu không có dòng chảy đồng nhất, độ chính xác của cảm biến lưu lượng sẽ bị ảnh hưởng.

1.3. Áp suất sai lệch

Kiểu cảm biến lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất l 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 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

Hình 4a là một ống venturi. Hình 4b qua một ống venturi.

Hình 4b – Cảm biến lưu lượng

Các cảm biến 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 thiết bị cảm biến áp suất chênh. 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 bậc hai.

Các tấm “orifice” là thiết bị giới hạn được sử dụng phổ biến nhất. Tấm “orifice” được đặt trong dòng chảy quá trình giữa hai mặt bích đứng. Hình 5 là một ví dụ về một tấm “orifice” ti qua tấm “orifice” có lỗ hở 1,345 inch.

Hình 5 – Cảm biến lưu lượng

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 thong 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 khi có thể bị ngưng tu, 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.

Hình 6 – Cảm biến lưu lượng

Hình 7 trình bày một phương pháp đặt các lỗ lấy áp suất trên đường ống nếu sử dụng tấm “orifice” để đo lưu lượng. Chúng 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 h được lắp đặt trong mặt bích, cấu hình này rất phổ biến và được lắp đặt để có thể giữ luôn tấm “orifice”.

Hình 7 – Cảm biến lưu lượng

Trong hình 8 sử dụng một đồng hồ đo chênh áp thay vì sử dụng hai đồng hồ riêng như ở hình 7

Hình 8 – Cảm biến lưu lượng

Trong 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. Bảng ở hình 9 sau đây đưa ra sự so sánh giữa sự thay đổi chênh áp (inch nước) với lưu lượng tương ứng được this theo phần tram thang đo, pounds/ giờ và gallons/phút.

Hình 9 – Cảm biến lưu lượng

1.4. 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:

1. Thân gián đoạn dòng chảy – có chức năng tạo ra các kiểu xoáy định trước tùy thuộc vào hình dáng thân.
2. Một cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các xung điện.
3. 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.

Hình 10 – Cảm biến lưu lượng

Hình 11 – Cảm biến lưu lượng

1.5. Cảm biến lưu lượng kiểu từ trường

Các máy đo lưu lượng kiểu từ trường sử dụng để đo lưu lượng thể tích của chất lỏng hoặc chất dạng vữa dẫn điện. Chúng sử dụng nguyên lý tương tự với máy phát điện:

khi vật dẫn điện đi qua từ trường, một điện áp sẽ được tạo ra. Khi sử dụng máy đo lưu lượng kiểu từ trường, vật liệu dẫn điện là chất lỏng hay chất dạng vữa. Dòng chảy càng nhanh, điện áp tạo ra càng lớn.

Hình 12 – Cảm biến lưu lượng

Máy đo lưu lượng kiểu từ trường không có bộ phận chuyển động. Hai cuộn dây từ, được đặt đối diện nhau trong một ống cách ly, tạo ra một từ trường qua đường kích ống. Điện áp tạo ra khi vật liệu dẫn điện chạy qua ống được đo bởi các điện cực cảm biến lắp trên thành ống. Các cảm biến chuyển đổi điện áp này thành tín hiệu điện ngõ ra tỷ lệ thuận với lưu lượng thể tích.

Một cảm biến lưu lượng kiểu từ trường chỉ làm việc chính xác khi điện áp tạo ra đủ lớn để có thể đo được. Axít, chất ăn da, thép nóng chảy sẽ làm việc tốt, nhưng những vật chất như nước cất và các hydrocarbon sẽ không làm việc được bởi vì dẫn điện kém. Cảm biến sẽ được hiệu chuẩn để phù hợp với vật liệu dẫn điện cần đo. Các cảm biến lưu lượng kiểu từ trường có thể được sử dụng với các chất ăn mòn và chất lỏng dạng vữa (chất dạng vữa phải di chuyển tương đối nhanh để tránh bám dích trên máy đo) nên tính dẫn điện của chúng phù hợp với hệ thống. Chúng có thể được sử dụng với các vật liệu nhớt và tương đối ít nhạy cảm với nhiệt độ. Các hư hỏng đối vưới bộ phận cách ly ống và các điện cực có thể làm hỏng máy đo. Cẩn thận mỗi khi sử dụng hơi để làm sạch đường ống có mang các cảm biến lưu lượng kiểu từ trường. Nếu hơi bị giữ lại bên trong, nó sẽ tạo ra một vùng chân không trong ống khi nó bị ngưng tụ. Vùng chân không này sẽ phá hỏng hầu hết các cảm biến bởi vì nó thường làm hỏng băng làm kín.

1.6. Cảm biến kiểu thế chỗ

Các cảm biến kiểu thế chỗ tích cực có nhiều kiểu thiết kế, nhưng tất cả đều dựa vào nguyên lý là tính toán các lượng chất lỏng riêng biệt khi nó chảy liên tục qua một khoang chứa của thiết bị. Thể tích của khoang chứa – và vì thế là thể tích của mỗi lượng chất lỏng chảy vào đấy – là một hằng số biết trước. Làm thế nào để tính toán các lượng chất lỏng này theo một hàm cơ học của thiết bị. Mỗt thiết bị sẽ bao gồm:

Khoang chứa

Các phần tử cơ khí di chuyển theo chất lỏng

Các van để điều khiển khoang chứa đầy và rỗng.

Một cảm biến – bộ chuyển đổi để tính toán số chu kỳ thực hiện và gởi tín hiệu đến các phần tử khác trong vòng điều khiển.

Các máy đo lưu lượng kiểu thế chỗ tích cực có thể sử dụng một trong những cơ chế sau đây để cách ly và chuyển động mỗi khi có một lượng chất lỏng đi qua:

• Các màng ngăn mềm dẻo
• Pittông chuyển động qua lại
• Pittông chuyển động quay
• Cánh quạt quay
• Bánh công tác và hộp số

Các cảm biến kiểu thế chỗ tích cực gởi ra một tín hiệu mỗi khi một khoang chứa đầy. Lưu lượng được xác định bằng cách nhân thể tích của khoang chứa (vì thế, là thể tích của chất lỏng nằm trong khoang) với số lượng tín hiệu trên một phút. Các tín hiệu này cũng được sử dụng để tính tổng dòng chảy.

Hình 13 trình bày một cảm biến lưu lượng kiểu thế chỗ tích cực sử dụng kiểu bánh công tác khi có dòng chất lỏng đi qua làm bánh công tác quay một chu kỳ.

Hình 13 – Cảm biến lưu lượng

Các cam này khi quay sẽ tự khóa lẫn nhau, lần lượt đóng và mở khoang chứa chất khi chất lỏng đi qua máy đo. Khoang chứa được tạo nên bởi bánh công tác và phần vỏ của máy đo. Các phần phải được làm bằng máy thật tinh vi để cho cảm biến vận hành trơn tru mà không bị bất kỳ sự rò rỉ nào giữa các ngăn. Số vòng quay trên phút của trục gắn trên mỗi bánh công tác được dùng để tính l được dùng để tính tổng thể tích đo được.

Hình 14 – Cảm biến lưu lượng

Hình 14 trình bày một kiểu cảm biến thế chỗ tích cực khác, một cảm biến kiểu cánh quạt – rotor. Khi vật liệu quá trình chảy qua máy đo, cánh quạt sẽ lập tức cách ly thất lỏng trong ngăn được tạo bởi các cánh quạt và vỏ của máy đo. Các cánh quạt, được gắn với rotor quay nhờ các lò xo, trụt vào hoặc ló ra sẽ bịt kín thành cho đến khi chúng di chuyển đến cạnh của vỏ má đo và cho phép chất lỏng tiếp tục chạy dòng đường ống. Một tín hiệu được gởi ra từ máy đo mỗi khi trục rotor hoàn thành một vòng quay, Số lượng vòng quay trên phút có thể được sử dụng để xác định lưu lượng thể tích bởi bì thể tích của các ngăn máy đo là biết trước.

Các máy đo kiểu thế chỗ tích cực rất chính xác. Chúng có thể được dùng để tính tổng thể tích hoặc một phần cũng như để đo lưu lượng thể tích của chất lỏng và khí. Các đồng hồ đo nước và khí gia đình sử dụng loại thế chỗ tích cực này. Hình 15 cho thấy một đồng hồ kiểu thế chỗ tích cực tiêu biểu cùng với thiết bị đọc tiêu biểu cùng với thiết bị giá trị tổng.

Hình 15 – Cảm biến lưu lượng

Do các bộ phận chuyển động của đồng hồ đo kiểu thế chỗ tích cực cần phải được làm bằng máy tinh vi, nó ít được lựa chọn sử dụng trong trường hợp các chất ăn mòn hoặc các chất ăn mòn hoặc các chất lỏng có đặc tính phủ lên hay bào mòn thiết bị nó tiếp xúc.

1.7. Cảm biến lưu lượng kiểu tuabin

Các cảm biến lưu lượng kiểu tuabin hoạt động theo nguyên lý là khi một chất lỏng chạy qua sẽ làm tuabin xoay với tốc độ tỷ lệ với lưu lượng chất lỏng. Khi chất lỏng đi qua khắp cánh rotor, chúng quay. Một đầu cảm biến được gắn trên thành của tuabin, máy đo sẽ phát hiện được sự hiện diện của từ trường nam châm vĩnh cửu (được gắn trên rotor hoặc trên một trong các cánh của rotor) khi nó đi qua ứng với mỗi vòng quay của tuabin. Cảm biến từ trường sẽ gởi ra một tín hiệu xung ứng với mỗi vòng quay của tuabin. Số lượng xung trong một khoảng thời gian cho trước có thể được sử dụng để xác định lưu lượng.

Hình 16 – Cảm biến lưu lượng

Các cảm biến lưu lượng kiểu tuabin có thể được sử dụng với các chất lỏng và khí, nhưng chúng được thiết kế để hoạt động trong một giới hạn lưu lượng xác định trước. Cho dù dòng chảy quá trình là gì, nó không Một bộ lọc và dòng chảy thẳng thường gắn liền với các máy đo tuabin. Thiết bị nắn thẳng dòng chảy là các phần của đường ống chứa nhiều miếng kim loại mỏng để buộc dòng chảy vào theo dạng thẳng. Để chính xác, điều quan trọng là dòng chảy thẳng ở dạng đồng nhất và sự hỗn loạn là nhỏ nhất khi nó tiếp xúc với tuabin.

1.8. Các cảm biến lưu lượng khối lượng

Các cảm biến lưu lượng khối lượng đo lưu lượng khối lượng thực. Lưu lượng khối lượng được biểu thị tiêu biểu dưới dạng pounds- khối lượng trên đơn vị thời gian (lb/min) khác với lưu lượng thể tích là thể tích trên đơn vị thời gian ((ft3/min hoặc gal/min). Các cảm biến này sử dụng các thay đổi về lực, phương chiều và tốc độ của chất lỏng quá trình khi nó di chuyển qua đường ống để xác định lưu lượng khối lượng. Chúng chính xác ngay cả khi thành phần, khối lượng riêng, áp suất, nhiệt độ của dòng chất lỏng quá trình thay đổi.

Loại cảm biến này làm việc tốt nhất với các chất lỏng hoặc chất dạng vữa. Thỉnh thoảng nó cũng được sử dụng với chất khí áp suất cao. Các cảm biến lưu lượng khối lượng thường không đủ độ nhạy để đo lưu lượng khối lượng riêng của nó rất thấp so với các chất lỏng.

Các cảm biến dựa vào động lực

Hầu hết các cảm biến lưu lượng khối lượng thực được dựa vào một ảnh hượng được gọi là lực động lực. Lực này có thể hình dung như là lực về một phía tác động vào cơ thể bạn nếu bạn cố gắng đi bộ theo đường thẳng từ tâm đến cạnh của một vòng quay ngựa gỗ đang quay.

Trong một cảm biến lưu lượng khối lượng dựa vào động lực, lưu lượng đi qua một ống cảm biến hình bán nguyệt hoặc hình tròn mà nó bị dao động với biên độ và tần số biết trước khi nó còn rỗng. Khi ống được điền đầy đủ chất lỏng, tần số và biên độ dao động giảm xuống. Chất lỏng càng nặng, tần số và biên độ càng giảm. Động lực của chất lỏng đi qua ống dao động bị uốn cong làm cất lỏng tác dụng một lực lên thành ống làm cho ống hơi bị xoắn. Độ xoắn tăng khi lưu lượng khối lượng tăng và nó được sử dụng để đo lưu lượng.

Hình 17 trình bày cách đặt các bộ phát hiện vị trí (ví dụ đồng hồ đo lực căng) trên ống cảm biến trong một thiết kế của một hang. Các ống cảm biến bị tách xa nhau ở một đầu do động lực và bị kéo lại gần nhau hơn ở đầu còn lại. Lưu lượng khối lượng được tính toán nhờ các mạch điện tử từ sự dịch chuyển của ống đã được phát hiện

Hình 17 – Cảm biến lưu lượng

Hình 18 trình bày một thiết kế khác cũng dựa vào động lực. Thiết kế này dung hai ống mà chúng dao dộng rất giống với một âm thoa. Các nguồn dao động bên ngoài có thể gây ra sai số cho các cảm biến lưu lượng khối lượng dựa vào động lực.

Hình 18 – Cảm biến lưu lượng

Các cảm biến dựa vào nhiệt

Các cảm biến lưu lượng dựa vào nhiệt hầu hết được sử dụng để đo lưu lượng của các khí sạch và hiếm khi được sử dụng với các chất lỏng. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đặt một lượng nhiệt nhỏ vào dòng quá trình và sử dụng độ thay đổi và giá trị nhiệt đặc trưng của vật liệu quá trình lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của mỗi đơn vị khối lượng vật chất lên 1oC

Ví dụ sau đây sẽ giúp bạn hình dung được mối quan hệ giữa nhiệt đặc trưng, nhiệt độ và lưu lượng. Giả sử một phần tử nhiệt với một ngõ ra cố định được đặt trong dòng quá trình có lưu lượng khối lượng 2lb/min. Nhiệt độ dòng quá trình tăng 2oF khi nó qua phần tử nhiệt. Nếu lưu lượng khối lượng giảm xuống còn 1lb/min, nhiệt độ dòng quá trình sẽ tăng lên 4oF khi nó đi qua phần tử nhiệt. Cùng lượng nhiệt đặt vào lượng vật liệu ít hơn một nửa, vì thế nhiệt độ của vật liệu tăng 2 lần.

Các cảm biến lưu lượng khối lượng thực tế sử dụng một trong hai phương pháp cơ bản. Một phương pháp, được trình bày ở hình 19 là đưa vào một lượng nhiệt không đổi và sử dụng độ thay đổi nhiệt độ tổng hợp để tính lưu lượng. Cảm biến nhiệt thứ nhất (T1) theo dõi nhiệt độ của dòng quá trình (T2) theo nhiệt độ của dòng quá trình ra khối cảm biến nhiệt lưu lượng, Nhiệt độ càng ít, lưu lượng càng lớn bởi vì cùng một lượng nhiệt sẽ làm độ tăng nhiệt ít hơn đối với một lượng vật liệu nhiều hơn.

Hình 19 – Cảm biến lưu lượng

Phương pháp thứ hai, trình bày trong hình 20, là thay đổi lượng nhiệt đầu vào để giữ cho độ sai lệch nhiệt độ giữa hai cảm biến là không đổi. Lưu lượng khối lượng có thể được tính bằng cách đo lượng nhiệt cần thiết để duy trì độ lệch nhiệt độ là không đổi.

Hình 20 – Cảm biến lưu lượng

Trong các cảm biến lưu lượng khối lượng dựa vào nhiệt thực tế, các phần tử nhiệt và các cảm biến không luôn luôn nằm trong dòng quá trình mà được lắp đặt trên thành của đoạn ống nằm trong cảm biến. Hình 21 trình bày một cảm biến lưu lượng khối lượng tiêu biểu.

Trong kiểu dụng cụ đo này, chỉ một phần trăm nhỏ dòng chảy quá trình được gia nhiệt, trong khi phần còn lại thì chạy thẳng qua mà không được gia nhiệt.

Nếu thành phần của dòng chảy thay đổi, như vậy nhiệt lượng đặc trưng sẽ khác so với những gì mà cảm biến lưu lượng khối lượng đã được hiệu chuẩn, cảm biến sẽ cho kết quả sai. Nếu dòng khí bị ngưng tụ và đọng lại trên các cảm biến nhiệt độ hoặc phẩn tử nhiệt, nó sẽ làm sai lệch kết quả đo. Điều này xảy ra là do chất lượng ngưng tụ là chất lỏng và có đặc tính truyền nhiệt rất khác với chất khí.

Hình 21 – Cảm biến lưu lượng

Trong đường ống dẫn khí, lưu lượng không giống nhau trên toàn bộ mặt cắt đường ống. Điển hình là, dòng chảy ở giữa nhanh hơn ở phía ống, và một cảm biến nhiệt đơn sẽ không cho kết quả chính xác toàn bộ dòng chảy. Hình 22 trình bày cách mà một số cảm biến lưu lượng kiểu nhiệt đư Trong trường hợp này, các mạch điện tử xác định lưu lượng bằng cách tính giá trị trung bình của các cảm biến.

Hình 22 – Cảm biến lưu lượng

1. HÌNH ẢNH CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG

– Magnetic-Flowmeter

– Mass-Flow-Meter

– Sdgt

– vortex Flowmeters

– Mass Flowmeters

– Positive displacement Flowmeters

>> Xem thêm: Kỹ thuật kiểm tra van công nghiệp

Biên soạn bởi: mobitool.net./.