Các Phương Pháp Đo Lưu Lượng Chất Lỏng

1. Mở đầu

Lưu lượng kế là 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 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.

2. Phương pháp đo lưu lượng kiểu điện từ

Phương pháp đo lưu lượng kiểu điện từ dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday, theo như nguyên lý này thì bất kỳ sự thay đổi tốc độ dòng chảy sẽ làm thay đổi sức điện động trong từ trường do nam châm điện từ tạo nên, quá trình thực nghiệm đã chứng minh tốc độ dòng chảy nhanh hơn sẽ làm giá trị sức điện động lớn hơn và sinh ra điện áp cao hơn.Giá trị điện áp sinh ra tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy theo thời gian.

Nguyên lý được ứng dụng trong thiết bị đo lưu lượng kiển điện từ để đo tốc độ dòng chảy của chất lỏng.Thiết bị đo bao gồm 2 cuộn dây điện từ được gắn đối diện với nhau trên đường ống không từ tính. 2 điện cực được gắn trên đường ống sẽ tạo ra từ trường không đổi trên đường ống tại điểm mà chất lỏng đi qua. Mặt trong của ống đo được lắp đặt vật liệu cách điện để tránh rò điện ra đường ống : cao su, cao su tổng hợp. Lưu lượng kế được trang bị thiết bị đo, tính toán và chuyển đổi tín hiệu và hiển thị lên đồng hồ để chúng ta có thể theo dõi trực tiếp dễ dàng hơn.

Khi chất lỏng chạy qua vùng từ trường do hai bản cực này tạo ra mang theo những hạt mang điện chúng làm thay đổi sức điện động sinh ra trên 2 đầu điện cực. Từ đó ta có thể tính toán dựa theo công thức dưới đây để hiển thị lưu lượng chất lỏng cần đo.

Công thức tính toán điện áp sinh ra trên 2 đầu bản cưc:

U = B x d x v

  U = Điện áp sinh ra trên 2 đầu bản cực
  B = từ trường
  d = khoảng cách giữa 2 đầu bản cực
  v = vận tốc trung bình đo được theo thời gian tức thời.

Chính giá trị điện áp này sau khi đo được sẽ tính ra được lưu lương chất lỏng ta cần đo theo thời gian tức thời.

                                                                                 Q = A x v

  Q = Lưu lượng chất lỏng cần đo
  A = tiết diện đường ống cần đo
  v = vận tốc trung bình đo được.

Strouhal Number, St

3. Phương pháp đo lưu lượng dạng siêu âm:

Đo lưu lượng bằng phương pháp siêu âm được sử dụng phổ biến trong các nhà máy để đo lưu lượng của chất lỏng dụa trên nguyen lý sự thay đổi vận tốc truyền của song phụ thuộc vào nhiệt độ và môi trường truyền song.

Phương pháp đo lưu lượng bằng song siêu âm bao gồm: 1 cảm biến phát và 1 cảm biến thu tín hiệu, bộ chuyển đổi tín hiệu, bộ hiển thị tín hiệu đo được.

Các kiểu đo lưu lượng dạng sóng siêu âm:

Doppler flowmeter

Loại lưu lượng kế này bao gồm hai bộ chuyển đổi áp điện (có thể là bộ chuyển đổi tích hợp hoặc bộ kẹp) được lắp ở một khoảng cách cụ thể cách biệt với nhau. Một tín hiệu siêu âm được truyền bởi một đầu dò ở một tần số cụ thể và bị lệch bởi các gương phản xạ âm thanh (tức là bọt khí hoặc các hạt rắn) lơ lửng trong môi trường dòng chảy.

Tín hiệu này sau đó được nhận bởi đầu dò thứ hai với sự thay đổi tần số. Sự khác biệt về tần số này được gọi là sự thay đổi tần số Doppler và tỷ lệ thuận với tốc độ của môi trường dòng chảy. Vì chúng ta biết đường kính của đường ống và vận tốc của môi trường, bây giờ chúng ta có thể tính tốc độ dòng thể tích từ các tham số này.

Transit time flowmeter

Lưu lượng kế này sử dụng sự khác biệt về thời gian mà tín hiệu siêu âm cần để truyền khoảng cách giữa các đầu dò ở khoảng cách cụ thể với nhau để đo tốc độ dòng thể tích của môi trường. Tín hiệu đầu tiên truyền xuống dòng chảy (tức là theo hướng của dòng chảy) và sau đó ngược dòng (tức là ngược với hướng của dòng chảy).

Tần số của tín hiệu truyền đi bằng tần số cộng hưởng của đầu dò. Do tín hiệu truyền xuống hạ lưu nhanh hơn ngược dòng, nên có sự khác biệt về thời gian gọi là Thời gian bay (TOF) hoặc Thời gian vận chuyển và nó được đo bằng đồng hồ đo thời gian.

Ví dụ:

Xét hai bộ chuyển đổi A và B. Thời gian của tín hiệu truyền từ A đến B là TOFAB và được lấy từ B đến A, TOFBA, được đo thời gian. Sự khác biệt thời gian được tính như sau:

                                                                                      T = TOFBA - TOFAB

Ở trạng thái không có dòng chảy, T là 0.

Tốc độ dòng chảy của môi trường tỷ lệ thuận với thời gian vận chuyển. Vì chúng ta đã biết diện tích mặt cắt ngang của đường ống, chúng ta có thể tính tốc độ dòng thể tích bằng thời gian vận chuyển và tốc độ dòng chảy.

Single path or multipath ultrasonic flowmeters

Lưu lượng kế siêu âm đường dẫn đơn hoặc đa đường Lưu lượng kế siêu âm được phân biệt rõ hơn bằng số đường dẫn mà tín hiệu siêu âm đi từ đầu dò này sang đầu dò khác. Trong lưu lượng kế có hai đầu dò, tín hiệu đi theo một đường dẫn, từ đầu dò truyền sang đầu dò nhận. Chúng được gọi là lưu lượng kế một đường và phù hợp lý tưởng cho các đường ống có đường kính nhỏ đến trung bình. Một số lưu lượng kế siêu âm sử dụng bốn đầu dò, trong trường hợp đó có hai tín hiệu đi theo hai đường dẫn. Chúng được gọi là lưu lượng kế đường dẫn kép. Tương tự, lưu lượng kế siêu âm sử dụng nhiều đầu dò được gọi là lưu lượng kế đa đường. Chúng thích hợp nhất để sử dụng trong các đường ống có đường kính lớn.