Trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp, đo lưu lượng là một trong những phép đo được sử dụng rộng rãi nhất. Chúng ta có khá nhiều nguyên lý đo lưu lượng và hầu hết các nguyên lý đo điều cho kết quả khá chính xác. Sau đây là một số phương pháp đo cơ bản và khá phổ biến:
- Đo lưu lưu lượng theo nguyên lý chênh áp,
- Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine,
- Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính,
- Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex,
- Đo lưu lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ,
- Đo nguyên theo nguyên lý gia nhiệt,
- Đo theo nguyên lý Coriolis.
Trong bảy nguyên lý đo trên thì năm nguyên lý đo đầu tiên thuộc nhóm đo lưu lượng thể tích (Volumetric Flow-rate) và hai nguyên lý đo cuối cùng thuộc nhóm đo lưu lượng khối lượng (Mass Flow-rate).
1. Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp – Differential Pressure.
Đây là nguyên lý đo được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp quá trình (process industry). Nguyên lý đo này dựa trên mô tả toán học là: Lưu lượng thể tích tỉ lệ với căn bật hai của chênh áp: Q = K.√P. Theo đó, người ta sẽ sử dụng các thiết bị tạo chênh áp bằng cách thay đổi tiết diện ngang của ống (theo hướng nhỏ lại) như: Tấm Orifice, ống Venturi hoặc Flow nozzle, trong đó tấm Orifice thường được sử dụng nhất vì tính cơ động, dễ lắp đặt, dễ bảo trì... Khi tiết diện ngang của ống thay đổi thì sẽ tạo nên chênh áp ∆P của dòng lưu chất đi trong ống.
Để có thể tính toán ra lưu lượng của lưu chất từ chênh áp ∆P người ta sử dụng một transmitter chênh áp. Transmitter này có 2 đầu vào áp suất tương ứng với áp suất cao nhất tại điểm khi tiết diện ngang của ống chưa thay đổi và áp suất thấp nhất tại điểm dòng chảy có tiết diện ngang nhỏ nhất. Để đo được lưu lượng chính xác nhất thì việc lắp đặt điểm lấy áp suất cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến hướng dòng chảy, đường kính ống, vị trí và khoảng cách giữa hai điểm đo áp suất…
Vấn đề dòng chảy tồn tại cả 2 pha (lỏng và khí) sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo. Để loại bỏ điều này người ta sử dụng tấm Orifice có đục lổ. Theo đó, nếu lưu chất là chất khí thì tấm Orifice sẽ được đục lỗ ở phía đáy dòng chảy (để lỏng có thể đi qua) và nếu lưu chất là chất lỏng thì tấm Orifice được đục lổ ở phía trên dòng chảy.
2. Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex.
Nguyên lý đo này cũng được sử dụng đối với lưu chất là lỏng, hơi hoặc khí. Nguyên lý đo này được mô tả như sau: Người ta sử dụng một thiết bị dạng hình côn (Bluff Body of Vortex Shedder) đặt vuông góc và chắn giữa dòng chảy. Khi lưu chất gặp thiết bị này nó sẽ hình thành các điểm xoáy Vortex ở phía hạ nguồn, lưu lượng càng lớn thì các điểm xoáy này càng nhiều. Để xác định lưu lượng người ta sẽ đặt cảm biến đo dao động do các Vortex này gây nên.
Nguyên lý đo Vortex bị ảnh hưởng bởi sự rung động của đường ống, sự sủi bọt của lưu chất…. Tuy nhiên, trong thực tế thiết bị đo theo nguyên lý này cho kết quả khá chính xác (sai số <0,5%)
3. Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính.
Nguyên lý đo này được sử dụng với những lưu chất dẫn điện, sử dụng nguyên lý của máy phát điện: Khi vật liệu dẫn điện đi qua từ trường thì nó sẽ sinh ra điện áp, lưu lượng càng nhiều thì điện áp sinh ra càng lớn.
Dựa theo nguyên lý trên thì thiết bị đo sẽ có hai cuộn dây đặt đối xứng phát ra từ trường và điện áp cảm ứng do sự di chuyển của lưu chất sẽ được cảm ứng bởi một sensor, sensor này sẽ chuyển đổi điện áp cảm ứng thành tín hiệu điện (4-20mA; 1-5V...) tỉ lệ với lưu lượng của lưu chất. Chú ý rằng lưu chất phải được cách ly với ống dẫn.
4. Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ (Positive Displacement Sensor)
Nguyên lý đo này tỏ ra khá đơn giản: Người ta sử dụng một cái bầu (chamber), trong bầu có các cánh quay và các cánh quay này sẽ chỉ cho phép lưu chất đi qua bầu theo từng đợt. Đồng thời sẽ có một bộ phận đo số lần lưu chất đi qua bầu, từ đó sẽ tính ra được lưu lượng.
Một hình thức khác dễ hình dung hơn của thiết bị đo này là xilanh – píton. Cứ mỗi lần piston đi hết một hành trình xi-lanh ta sẽ được một lượng xác định lưu chất. Như vậy để xác định lưu lượng ta chỉ việc xác định số lần dịch chuyển của piston và lượng lưu chất của mỗi lần dịch chuyển.
5. Đo lưu lượng theo nguyên lý Turbine.
Nguyên lý đo này được mô tả như sau: Khi lưu chất đi qua thiết bị đo nó sẽ làm quay cánh turbine, Lưu lượng càng lớn thì tốc độ càng cao. Sẽ có một phần cảm ứng để cảm nhận tốc độ quay của cánh turbine và cho ra các xung điện tương ứng. Số lượng các xung trong một đơn vị thời gian sẽ xác định lưu lượng của lưu chất.
Các ghi chú: Năm nguyên lý đo trên thuộc về nhóm đo lưu lượng thể tích (volumetric flowrate). Nhược điểm của nhóm đo lưu lượng thể tích là độ chính xác của chúng phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố: nhiệt độ, độ nhớt, áp suất, hình thái dòng chảy (đặc biệt ảnh hưởng đến nguyên lý đo Chênh áp, Vortex và Turbyne)... Riêng đối với hình thái dòng chảy thì lý tưởng nhất là dòng chảy tầng (Uniform Laminar flow). Tuy nhiên, trong thực tế không thể có được dòng chảy này nên hình thái dòng chảy được khuyến cáo nên sử dụng là dòng chảy rối điều (Uniform turbulent flow), còn dòng chảy rối loạn (Non-uniform turbulent flow) thì không nên dùng vì nó ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo.
Để giảm thiểu sự chảy rối người ta thường lắp thêm các ống hướng dòng phía trước thiết bị đo. Bên cạnh đó, khoảng cách giữa thiết bị đo và điểm co gần nhất của đường ống cũng cần quan tâm đặc biệt.
6. Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt.
Nguyên lý đo này thường được dùng trong các hệ thống dầu tuần hoàn của các hệ thống máy công suất lớn. Có hai hình thức:
- Đặt một lượng nhiệt nhất định vào dòng lưu chất và đo sự suy giảm lượng nhiệt ấy qua hai điểm.
- Đặt một nguồn nhiệt vào lưu chất sao cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm là không đổi.
Về cấu tạo thì nguyên lý đo nầy cần tối thiểu là 2 TE – Thermal Element. Một trong hai cái sẽ dùng để đo nhiệt độ của dòng lưu chất trước khi gia nhiệt và cái còn lại đo nhiệt độ của dòng lưu chất sau khi gia nhiệt. Như vậy, cho dù nhiệt độ của dòng lưu chất trước khi đo có thay đổi thì kết quả đo vẫn bảo đảm độ chính xác cần thiết. Kết quả đo của 2 TE sẽ được xử lý và thiết bị đo sẽ cho ra kết quả là tín hiệu điện (4 – 20mA, 1 – 5V...) tỉ lệ với lưu lượng của lưu chất.
7. Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis.
Đây là nguyên lý đo phức tạp nhất nhưng cũng cho kết quả chính xác nhất, thường được dùng trong mua bán hơn là trong điều khiển.
Nguyên lý đo này ứng dụng lực Coriolis, theo đó khi dòng lưu chất đi qua một ống hình chữ U thì nó sẽ có xu hướng làm xoắn ống. Khi chưa có lưu chất đi qua, ống chữ U nầy sẽ rung với tần số và biên độ đã biết trước. Khi lưu chất đi qua càng nhiều thì do ảnh hưởng của lực Coriolis mà ống sẽ càng xoắn. Sự xoắn của ống chữ U nầy làm cho dao động của ống đã nói ở trên không còn giống như khi ống rỗng mà sẽ lệch đi một góc tương ứng.
Để đo lưu lượng của lưu chất qua ống, người ta đo sự lệch pha của dao động nói trên. Lưu lượng càng lớn thì độ lệch pha càng cao.
Trên đây chỉ là nguyên lý, trong thực tế thiết bị đo Coriolis là một trong những thiết bị đo rất phức tạp và có độ thông minh rất cao. Ngày nay, người ta tích hợp cả vi xử lý vào thiết bị đo Coriolis để cho ra kết quả đo chính xác nhất (sai số <0.01%)
Bài viết của em chưa được chất lượng lắm vì quá bận. Các Bác đọc và comment nhé. Còn nhiều phương pháp đo nữa như siêu âm, radar... Bác nào rành thì tiếp tục post lên nhé !
Cảm ơn bác Hại Điện đã đóng góp bài viết bổ ích cho anh em. Các bạn nếu có những kiến thức bổ sung cho bài viết hay thấy điều gì cần tranh luận xin cứ tự nhiên viết bài. Nhiệt liệt hoan nghênh!!!
__________________ AIMING HIGH, FLYING HIGH In-house Training Programs for Industrial Sales Executives and Sales Managers
Về nguyên lý cơ bản, bác Hại Điện đã post lên khá kỹ lưỡng. QT chỉ nêu ra những khác biệt giữa thiết bị cụ thể và nguyên lý chung:
Nguyên lý Coriolis dựa trên sự biến đổi dòng chảy khi bị lực tác động ngang. Giả sử như khi bác chạy xe gắn máy tốc độ thấp, thì lực gió thổi ngang sẽ làm cho bác bị chệch tay lái một ít, nhưng là chệch ở rất gần điểm bị gió thổi. Còn nếu bác chạy với tốc độ cao hơn, bác sẽ bị lệch hướng ở một vị trí xa hơn một chút. Nếu xe của bác nh5, bác sẽ bị lệch gần như tức thời, nhưng nếu xe của bác nặng, bác sẽ bị lệch trễ hơn.
Như vậy độ lệch hướng và thời gian trễ của chiếc xe sẽ tùy thuộc vào tốc độ di chuyển của xe và khối lượng quán tính của xe.
Tương tự nếu ta cho một dòng chảy đi vào một hệ thống đường ống đang xoay, dòng chảy đó sẽ bị lệch đi tùy thuộc vào tốc độ quay của đường ống, tốc độ của dòng chảy, và khối lượng của nó. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Coriolis.
Hiệu ứng Coriolis chính là hiệu ứng gây ra sự lệch hướng ngược chiều nhau của các luồng gió trên bề mặt địa cầu giữa bắc bán cầu và nam bán cầu.
Dựa vào nguyên lý này, người ta chế tạo ra cảm biến lưu lượng kiểu Coriolis.
Với một ống chữ U như hình vẽ, xoay quanh trục với tốc độ là ω (có thể không đổi hoặc thay đổi). Nếu có một lưu lượng lưu chất đi ngang qua, thì sự di chuyển dòng chảy sẽ làm cho ống bị vặn xoắn đi. người ta chứng minh rằng lực tạo ra sự vặn xoắn của hệ thống sẽ là:
Fc= -2 M * v * ω.
Trên thực tế, người ta không cho ω cố định, mà là một hàm biến thiên theo thời gian. Thường là một hàm sin. Khi đó, các lực Fc cũng sẽ biến thiên theo thời gian theo hàm sin.
Có thể tạo tốc độ quay ω bằng một bộ rung điện từ, gọi là phần tử kích thích ở điểm E, và đặt hai bộ cảm biến di động ở 2 điểm S1 và S2.
Thông thường, để tảo dễ dàng cho việc chế tạo, và tăng độ chính xác của mạch đo, người ta sẽ dùng 2 ống chữ U song song với nhau.
Bộ phận kích thích sẽ được lắp ở cạnh đáy của chữ U, tạo nên xung động làm 2 nhánh U dao động ngược chiều nhau.
Hai bộ cảm biến khoảng cách sẽ được lắp ở 2 cạnh bên.
Khi không có dòng chảy, hai nhánh chữ U sẽ dao động ngược hướng với nhau. Hai bộ cảm biến vị trí sẽ ghi nhận khoảng cách giữa 2 nhánh sẽ thay đổi đồng thời với nhau. tín hiệu ra sẽ đồng pha.
Khi có một lưu lượng chảy qua, lực Coriolis sẽ làm cho hai nhánh sẽ không đồng pha với nhau nữa.
Khoảng cách giữa 2 nhánh sẽ không giống nhau ở hai đầu. Tín hiệu điện ở 2 bộ cảm biến sẽ lệch pha với nhau.
Góc lệch pha, hay thời gian lệch pha sẽ tỷ lệ với lực Coriolis, nghĩa là tỷ lệ với vận tốc và khối lượng của lưu chất di chuyển trong ống. Có nghĩa là tỷ lệ với lưu lượng khối lượng của lưu chất.
Chắc là được bạn ah, nếu bạn có ý định nghiên cíu tại VN thì làm luôn đề tài tiến sĩ luôn đi cho nó hoành tráng bạn nhé !
Nếu sản xuất thì tớ sẽ là người đầu tiên sử dụng hàng vn
Hix em cũng đang nghiên cứu về thiết bị đo lưu lượng, e chưa rõ lắm về cái đo kiểu từ với kiểu tuabine các bác chỉ e với, hoặc cho em đường link của trang web nào nói rõ hơn về các kiểu đo lưu lượng cũng được, e cám ơn các bác.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG TRONG CÔNG NGHIỆP
