Cảm biến đo trực tiếp lưu tốc khối lượng khí ga dựa trên công nghệ nhiệt pptx

Một trong những tính năng nổi bật của cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt là đo chính xác lưu tốc khí ga ở dải thấp tốc độ... Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lưu

Cảm biến đo trực tiếp lưu tốc khối lượng khí ga dựa

trên công nghệ nhiệt

Tóm tắt

Bài viết trình bày rõ thêm về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến đo trực tiếp lưu tốc khối lượng khí gas dựa trên công nghệ nhiệt

Abstract

This article presents about the principles of operation and applications of sensors directly measure mass flow rate of gas-based thermal technology

Mở đầu

Việc đo lường khí ga trong công nghiệp là điều hết sức quan trọng Vì vậy đã có rất nhiều các nghiên cứu về dòng cảm biến này nhằm đưa ra các thiế bị đo với dải đo rộng và độ chính xác cao Và một trong những loại cảm biến phải kế đến khi chọn giải pháp đo lường khí ga là cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt Đây là cảm biến đo trực tiếp lưu tốc khối lượng của khí ga Nếu như kết quả đo lường theo nguyên lý thể tích bị ảnh hưởng bới môi trường xung

quanh, điều kiện quá trình đo, sự thay đổi áp suất thì nguyên

lý đo lường khối lượng không bị ảnh hưởng bới độ nhợt, tỷ trọng, nhiệt độ, hay áp suất

Cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt thường dùng trong việc theo dõi, kiểm soát điều khiển các quá trình liên quan đến khối lượng, như trong các lò phản ứng hóa học mà tỷ lệ khối lượng của các thành phần tham gia phản ứng là yếu tố quan trọng Còn trong việc phát hiện rò rỉ khí ga, hơi áp lực cao thì việc đo lường không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ, áp suất Một trong những tính năng nổi bật của cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt là đo chính xác lưu tốc khí ga ở dải thấp (tốc độ

<7,62m/phút) – mức phát hiện này thấp hơn rất nhiều so với bất kỳ một cảm biến đo nào khác Cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt cũng cung cấp dải đo khá rộng từ 10:1 đến 100:1 nếu chúng hoạt động ở các chế độ khác nhau và nhiệt độ liên tục Nói cách khác, nếu nhiệt đầu vào không đổi thì khả năng phát hiện sai lệch nhỏ của nhiệt

độ bị giới hạn và không đảm bảo độ chuẩn xác cũng như dải

đo của cảm biến Với dòng chảy bình thường thì sai số đo là 1-2% toàn dải đo Cảm biến đo loại này cũng được thiết kế cho các ứng dụng đo trong môi trường áp suất cao, nhiệt độ cao và được chế tạo bằng loại vật liệu đặc biệt Nó cho phép

đo ở dải lưu lượng thấp các chất tinh khiết (loại nhiệt điện dung), trong khi loại bypass và probe cho phép đo lường dòng chảy lớn trong ống dẫn, ống loe và ở dạng khô

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt

Cảm biến loại này thường dùng để đo lưu lượng của khí ga ở dải lưu tốc thấp Chúng hoạt động bằng cách cung cấp một lượng nhiệt chuẩn từ bộ tạo nhiệt vào trong dòng chảy khí ga

và đo lường sự thay đổi của nhiệt độ này hoặc bằng cách duy trì sự thăm dò tại một nhiệt độ ổn định và đo năng lượng cần thiết để sinh ra lượng nhiệt này Cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt cơ bản bao gồm hai đầu đo nhiệt và bộ tạo nhiệt đặt ở giữa chúng Bộ tạo nhiệt có thể đặt

bên trong dòng chảy (hình 1a) hoặc đặt bên ngoài đường ống (hình 1b)

Đối với loại cảm biến lưu tốc truyền nhiệt trực tiếp thì một lượng nhiệt xác định (q) được đưa thêm vào nhờ bộ tạo nhiệt Khi dòng khí chảy qua ống các đầu dò nhiệt điện trở đo

lường sự gia tăng nhiệt độ, trong khi lượng nhiệt đưa vào được giữ không đổi

Hình 1: Các thành phần cơ bản của cảm biến đo lưu tốc dựa trên công nghệ nhiệt

Lưu tốc khối lượng được xác định dựa vào sai lệch nhiệt độ

đo lường (T2-T1), hệ số cảm biến (K), tốc độ truyền nhiệt của bộ tạo nhiệt (q) và nhiệt dung riêng của chất khí (Cp), theo công thức: m=Kq/[Cp(T2-T1)]; T2-nhiệt độ của chất khí

trước khi lượng nhiệt được đưa thêm vào, T2-nhiệt độ của chất khí sau khi đã truyền nhiệt thêm vào

Loại cảm biến lưu tốc truyền nhiệt trực tiếp vào dòng chảy có nhiều hạn chế (hình 1a) Các đầu đo nhiệt điện trở và bộ tạo nhiệt phải được đưa vào trong dòng chảy ống đo Vì vậy, các

bộ phận này rất dễ bị hư hỏng do bị ăn mòn Hơn nữa, tính nguyên vẹn của đường ống bị biến đổi bởi những chỗ lồi lõm cần thiết của dòng chảy, làm tăng nguy cơ rò rỉ

Cảm biến đo lưu tốc loại truyền nhiệt qua đường ống

T, đối với cảm biến đo lưu tốc khối lượng loại truyền nhiệt qua đường ống: nơi phân bố sai lệch nhiệt độ tăng theo dòng chảy Để hiểu được nguyên lý hoạt động của cảm biến loại này, chúng ta phải xem xét những ảnh hưởng của cơ học chất

đo và cơ chế truyền nhiệt Khi dòng chất đo chảy vào trong ống (hỗn loạn hoặc chẩy tầng), một lớp mỏng chất đo (thin film layer) sẽ tồn tại giữa thành phần chính của chất đo và thànĐể khắc phục những vấn đề này, bộ truyền nhiệt và đầu

đo nhiệt độ phía dòng chảy vào/ra có thể được lắp bên ngoài

đường ống (hình 1b) Đối với loại cảm biến này, cơ chế

truyền nhiệt trở nên phức tạp hơn và mối quan hệ giữa lưu tốc khối lượng và sai lệch nhiệt độ trở nên phi tuyến Hình 2 minh họa sự thay đổi phi tuyến này theo sai lệch nhiệt độ h ống Khi nhiệt truyền qua thành ống tới chất đo, lớp này chống lại dòng chảy do tác động của nhiệt Nếu bộ truyền nhiệt cách ly hiệu quả và nếu chất liệu đường ống dẫn nhiệt tốt, thì nhiệt truyền từ bộ tạo nhiệt đến chất đo có thể được thể hiện qua công thức sau: q=hA(Tw-Tf); h-hệ số truyền nhiệt lớp mỏng giáp với vỏ ống, A-diện tích bề mặt truyền nhiệt, Tw-nhiệt độ thành ống, nó đo nhiệt độ dòng chảy sau

bộ tạo nhiệt, Tf-nhiệt độ chất đo phía dòng chảy trước bộ tạo nhiệt

Sử dụng công thức tính toán với dòng chảy hỗn loạn, ta nhận được biểu thức xác định lưu tốc khối lượng như sau:

m=qDµ/[KCpA(Tw-Tf)]; D-đường kính ống đo, µ-độ nhớt tuyệt đối của dòng chảy

Hình 2: Cảm biến đo lưu tốc khối lượng loại truyền nhiệt qua đường ống

Do đó, lưu tốc khối lượng (q) thay đổi theo sai lệch nhiệt độ (ΔT=Tw-Tf) Nếu thuộc tính chất đo (µ, K, Cp) và thông số cảm biến đo (q, D, A) được giữ không đổi và giả sử là X, khi

đó lưu tốc khối lượng thu được bằng cách đo sai lệch nhiệt độ: m=X/(Tw-Tf) Cảm biến loại này cũng có thể hoạt động bằng cách giữ không đổi ΔT và đo công suất điện cấp cho bộ tạo nhiệt

Khi xây dựng và sử dụng cảm biến đo lưu tốc dựa trên

nguyên lý truyền nhiệt thì cần phải đặc biệt lưu ý đến các cảnh báo Phải đảm bảo rằng các giá trị được giả định là hằng

số thì phải thực sự như vậy Và cũng phải hiểu rằng mối quan

hệ để đưa ra trong phương trình m=X/(Tw-Tf) bị giới hạn bởi giá trị hệ số Reynold, tỷ số L/D (L-chiều dài bề mặt truyền nhiệt), … Ngoài ra, cảm biến đo loại này luôn được hiệu chuẩn hoặc bởi nhà sản xuất, hoặc bởi người sử dụng dưới điều kiện gần với điều kiện ứng dụng thực tế Các cảm biến này phù hợp cho việc đo khí ga thuần nhất, và không khuyến khích cho các ứng dụng đo chất lỏng tổng hợp hay có độ ẩm biến đổi Cảm biến loại này được dùng trong hệ thống mà ở

đó hệ số truyền nhiệt và nhiệt dung riêng của chất đo quá trình là hằng số

Cảm biến đo lưu tốc loại truyền nhiệt qua đường ống bypass

Loại cảm biến lưu tốc này được phát triển để đo lưu tốc dòng chảy lớn hơn Nó bao gồm một ống mao dẫn mỏng (thành dày khoảng 0,051mm với đường kính trong nhỏ hơn 3mm) kết nối với ống dẫn dòng chảy chính Ống đo này được lắp 3 vòng dây bên ngoài: vòng giữa để truyền nhiệt qua thành mỏng tới dòng chảy bên trong, hai vòng lắp ở phía đầu vào/ra

dòng chảy để phát hiện sai lệch nhiệt độ Mức tăng nhiệt độ

do dòng chảy mang nhiệt từ phía đầu vào đến phía đầu ra trong ống mao dẫn Việc đo lường được thực hiện bởi mạch cầu Wheatstone Chất đo có yêu cầu là chảy tầng để đảm bảo dòng chảy thành lớp và buộc một phần dòng chảy vào ống bypass Khi không có dòng chảy, sai lệch nhiệt độ giữa điểm đầu vào và ra bằng không Khi có dòng chảy, các phần tử chất đo mang nhiệt từ đầu vào đến đầu ra của ống đo, tạo ra chênh lệch nhiệt độ Chênh lệch này tỷ lệ trực tiếp với sự thay đổi giá trị điện trở nhiệt trong mạch cầu đo Và do đó xác định được lưu tốc khối lượng của dòng chảy

Hình 3: Cảm biến lưu tốc khối lượng loại truyền nhiệt

qua đường ống bypass

Với loại cảm biến đo này, đường kính ống bypass càng nhỏ, kết quả đo cho đáp ứng càng nhanh Có hai kiểu ống bypass: thẳng và hình U Ưu điểm của ống bypass hình U là nhỏ gọn, trong khi ống bypass thẳng thì cho phép ứng dụng thuận tiện trong điều kiện ứng suất tự do và dễ dàng làm sạch ống đo Kích thước nhỏ có nhiều thuận lợi trong việc giảm các yêu cầu về nguồn điện và làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng nó đòi hỏi việc sử dụng các bộ lọc đầu vào để loại bỏ chướng ngại vật Một vài cảm biến yêu cầu lên tới 3 bars áp suất rơi để bộc lộ ra điều kiện chảy tầng

Cảm biến đo loại này ứng dụng nhiều trong thiết bị đo-điều khiển van tự động trên đường ống Chi phí cho thiết bị này là rất cạnh tranh Đối với dòng chảy nhỏ, việc đóng/mở của van

mở rộng (van có lắp thêm đồng hồ lưu tốc) được thực hiện thông qua bộ điều khiển nhiệt Bộ điều khiển này làm mở rộng/thu hẹp cái chặn từ đó làm di chuyển cái chốt của vạn,

do đó đóng/mở van trong thời gian ngắn 5-30 giây

Cảm biến đo lưu tốc loại dây đốt

-tỷ trọng khí ga.dv)1/2+K]; e-điện áp sinh ra, C-hằng số thiết bị, K-hệ số dẫn/truyền nhiệt, d-đường kính dây dẫn, v-vận tốc dòng chảy, KCpTrong thiết kế này, hai cặp nhiệt điện A, B được nối với nhau để tạo thành một pin nhiệt điện (hình 4) Pin nhiệt điện được làm nóng bằng cách cho dòng xoay chiều qua nó Một cặp nhiệt điện thứ ba (C-hình 4)

được đặt trực tiếp trong mạch đầu ra của pin nhiệt điện Dòng điện xoay chiều không đi qua cặp nhiệt điện này và do đó nó không làm nóng dây thứ ba Sự bố trí này được đặt vào trong dòng chảy khí ga Khí ga làm mát pin nhiệt điện bằng sự đối lưu Bởi vì nguồn đầu vào xoay chiều giữ không đổi, pin nhiệt điện sẽ đạt được nhiệt độ cân bằng và sản xuất ra một điện áp EMF, nó là một hàm của khí ga, nhiệt độ, vận tốc, tỷ trọng, nhiệt dung riêng, và hệ số dẫn nhiệt Với nhóm cặp nhiệt điện không bị đốt nóng, nó phát ra điện áp EMF tỷ lệ

với nhiệt độ khí ga Điều này loại bỏ ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ khí ga ở tín hiệu đầu ra của pin nhiệt điện được làm nóng A và B là cặp nhiệt điện được làm nóng C là cặp nhiệt điện không được làm nóng Điện áp đầu ra được xác định theo biểu thức: e=C/[2(

)1/2 giữ không đổi trong dải nhiệt độ rộng, nên cảm biến loại này có thể được dùng để đo lưu tốc khối lượng của khí

ga.Khi thiết bị được hiệu chuẩn cho loại ga xác định, sự thay đổi trong nhiệt độ ga ít ảnh hưởng đến tính chất ga cũng như tín hiệu đầu ra Bởi vì K là rất nhỏ và (KCp

Hình 4: Cảm biến lưu tốc khối lượng loại dây đốt

Cảm biến kiểu dây đốt này cũng dùng để đo vận tốc gió, khi

đó chúng được gọi là cảm biến đo gió Giới hạn chính của cảm biến lưu kế khối lượng loại dây đốt này tương tự cảm biến loại pitot, tức là không phát hiện được lưu tốc khối

lượng qua mặt cắt đầy đủ của đường ống-chỉ ở vị trí cảm biến

đo Do đó, nếu cảm biến đo lắp đặt ở vị trí không có profile vận tốc đi qua thì kết quả đọc sẽ bị lỗi Để khắc phục điều này, người ta đã thiết kế ra nhiều bộ phận gồ ghề và tích hợp vào trong mặt cắt đường ống (thường là cách 10d chiều dài)

để đảm bảo đường đặc tính vận tốc trơn nhẵn và đưa vào một vòi loại bỏ những ảnh hưởng của lớp ranh giới, tập trung dòng chảy dẫn vào cảm biến (hình 5) Cảm biến này cũng có thể được cung cấp cùng với bộ điều khiển và van điều khiển, trên cơ sở đó sẽ thu được mạch vòng điều khiển hệ khí ga hoàn chỉnh

Sử dụng cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt

Loại cảm biến này có thể cung cấp một dải đo khá rộng với

độ chính xác hợp lý, nhưng chúng cũng có vài hạn chế Các vấn đề chính là về điện thế bao gồm sự ngưng tụ hơi nước (khí gas bão hòa) trên đầu đo nhiệt độ Sự ngưng tụ này làm cản trở cảm biến đọc giá trị đo ở dải lưu tốc thấp và có thể dẫn đến ăn mòn Lớp bao phủ hoặc vật liệu bọc cảm biến cũng hạn chế quá trình truyền nhiệt và cản trở việc đo ở dải lưu tốc thấp Thêm vào đó, sai lệch điện áp nguồn bao gồm những thay đổi của hệ số nhiệt dung riêng gây ra bởi sự thay đổi của thành phần khí ga

Hình 5: Cảm biến lưu tốc khối lượng loại dây đốt được lắp ráp hoàn chỉnh

Một số ứng dụng phổ biến dùng cảm biến lưu tốc theo

nguyên lý nhiệt bao gồm đo lường khí đốt trong các lò hơi lớn, đo lường chất bán dẫn khí, lấy mẫu không khí trong nhà máy hạt nhân, đo lường khí ga trong công nghiệp hóa học và hóa dầu, trong các ứng dụng nghiên cứu và phát triển, sắc ký khí, ứng dụng trong bộ lọc và kiểm tra rò rỉ khí ga Trong khi cảm biến khí loại dây nóng được dùng phù hợp nhất cho khí

ga sạch ở mức vận tốc thấp, cảm biến venturi cũng có thể được xem xét đối với một số ứng dụng đo chất lỏng (bao gồm cả chất dạng xệt như vữa, bùn) Cảm biến lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt rất phù hợp cho đo lường dải rộng dòng chảy tốc độ thấp, nhưng có thể được dùng để đo cả với dòng chảy lớn như khí cháy, khí đốt thiên nhiên, hay việc phân phối khí nén

Kết luận

Cảm biến đo lưu tốc khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt cho phép ứng dụng đo trực tiếp lưu khối dòng khí ga trong công nghiệp với chi phí ban đầu thấp nhất so với các phương án đo

lường truyền thống khác nhưng vẫn đảm bảo sai số hợp lý Cảm biến loại này cũng được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển, giám sát quá trình hay tích hợp vào các thiết bị van điều khiển tự động Ngoài ra, cảm biến này cũng ứng dụng đo với chất lỏng và/hoặc với dải lưu tốc trung bình

Tài liệu tham khảo

[1] McAdams, W H., Heat Transmission, McGraw-Hill, New York, 1954

[2] Brooks Instrument Div of Emerson,

www.emersonprocess.com

[3] Integrated Control Concepts Inc., www.icci-inc.com [4] Thermal Instrument Co., www.thermalinstrument.com [5] TSI Inc., www.tsi.com