Các Loại Cảm Biến Lưu Lượng

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

- ˜ - & - ™ -

CÁC LOẠI CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG

Tháng 08-2010

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)

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

1.2 Các yếu tố xem xét

Mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc

Tổng năng lượng của bất cứ dòng ch

suất, vận tốc và độ cao Số lượng của mỗi th

lượng vẫn không đổi trừ khi năng l

nước khi nằm trên đỉnh của tòa nhà v

cao lớn Nếu nó bị đổ ra ngoài, ch

Khi nó chạm vào đất, nó không c

vào mặt đất do năng lượng của vận tốc đ

được truyền tới đất, nước thực chất không c

Dòng chất lỏng chảy qua đường ống tác động cũng giống nh

tích cho trước được cho qua một đ

vì chất lỏng đã trao đổi năng lượng của áp suất cho năng l

Nếu lưu lượng thể tích duy trì không

với tốc độ nhanh nhất

Độ nhớt, khối lượng riêng và ma sát là nh

loại cảm biến lưu lượng sao cho nó thật ph

sát nội trong bản thân vật chất, nó có ảnh h

chảy trong đường ống Độ nhớt c

Hình 1

ận tốc

òng chất lỏng nào cũng được tạo nên từ 3 thợng của mỗi thành phần có thể thay đổi, nhưng tợng vẫn không đổi trừ khi năng lượng bị lấy đi hay thêm vào chất lỏng Ví dụ, một tách

òa nhà vẫn không có áp suất hoặc vận tốc, nh

ài, chất lỏng sẽ trao đổi năng lượng của độ cao cho vận tốc

ất, nó không còn vận tốc hoặc độ cao nhưng nó tác động một lực lớn ợng của vận tốc đã chuyển đổi thành áp suất Khi lực va chạm đ

ớc thực chất không còn năng lượng nữa

ờng ống tác động cũng giống như thế Nếu một l

ợc cho qua một đường ống nhỏ hơn, vận tốc sẽ tăng lên và áp su

ợng của áp suất cho năng lượng của vận tốc

ì không đổi, áp suất sẽ thấp hơn ở nơi chất lỏng di chuyển

Hình 2 êng và ma sát là những yếu tố quan trọng phải xem xét khi chọn ợng sao cho nó thật phù hợp với quá trình đã xác định Độ nhớt l

ội trong bản thân vật chất, nó có ảnh hưởng đến sự chuyển động của vật chất khi

ờng ống Độ nhớt càng cao thì lực cản dòng chảy càng lớn Mật ong l

ừ 3 thành phần: áp ưng tổng năng

ất lỏng Ví dụ, một tách

ẫn không có áp suất hoặc vận tốc, nhưng nó có độ

ợng của độ cao cho vận tốc

ộng một lực lớn

ất Khi lực va chạm đã

ế Nếu một lưu lượng thể

ên và áp suất giảm

ất lỏng di chuyển

ững yếu tố quan trọng phải xem xét khi chọn

ịnh Độ nhớt là ma ởng đến sự chuyển động của vật chất khi

ớn 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

Bạn nhận thấy rằng, dòng chảy qua đ

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 lư

đo lưu lượng thể tích Để tránh d

một “meter run” của đường ống thẳng không gây tắc nghẽn d

cảm biến để tạo một dòng chảy t

có đường kính 20-25 phía trước cảm biến v

một số trường hợp, những mãnh kim lo

dòng để đảm bảo có dòng chảy đồng nhất Nếu không có đ

chính xác của cảm biến lưu lượng sẽ bị ảnh h

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 v

kiểu dựa vào sự thu hẹp đường ống n

ảy qua đường ống bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác ngo

ờng ống so với phương ngang

ả năng chịu nén của khí

ưu lượng đều giả sử là dòng chảy hỗn loạn đồng nhất để ợng thể tích Để tránh dòng chảy hỗn loạn không đồng nhất, thường phải lắp đặt

ờng ống thẳng không gây tắc nghẽn dòng chảy phía tr

ảy tương đối đồng nhất Thường sử dụng đường ống thẳng

ớc cảm biến và đường kính 5-10 phía sau cảm biến Trong ãnh kim loại mỏng được lắp đặt bên trong ống song song với

ảy đồng nhất Nếu không có được dòng chảy đồng nhất, độ ợng sẽ bị ảnh hưởng

ợc sử dụng phổ biến nhất là dựa vào phép đo áp suợng lớn thông tin và các thí nghiệm sẵn có, các cảm biến ờng ống này cho kết quả có độ chính xác cao k

ống “venturi”, các tấm “orifice” và các “nozzle” là những ví dụ về các thiết bị giảm

ờng ống quá trình để đo lưu lượng Cả ba đều tạo n

ể dễ dàng đo được và từ đó tính được lưu lượng thể tích Một ương pháp này là:

ởng bởi nhiều yếu tố khác ngoài

ợng thể tích Một

§ Giá thành tương đối thấp

Các cảm biến hoạt động dựa vào s

lưu lượng thể tích không đổi bị buộc đi qua một v

sẽ tăng lên để đảm bảo cùng m

gian Sự thay đổi về vận tốc làm gi

trên mỗi phía của vùng giới hạn có thể đo đ

thiết bị cảm biến áp suất chênh l

hạn, và cái còn lại được đặt nơi d

chảy qua vùng giới hạn có thể đ

ối thấp

ộ phận chuyển động

ợp với nhiều loại vật liệu, dải nhiệt độ và áp suất hoạt động rộng

ình 4b cho thấy làm thế nào mà một chất lỏng di chuyển

Hình 4a

Hình 4b

ào sự giới hạn sử dụng một yếu tố đó là khi chợng thể tích không đổi bị buộc đi qua một vùng giới hạn, vận tốc dòng ch

ùng một lượng chất lỏng đi qua trong cùng một khoảng thời

àm giảm áp suất tĩnh nơi mà dòng chảy tăng tốc Áp suất

ới hạn có thể đo được nhờ sử dụng đồng hồ đo áp suất hoặc ênh lệch Một đồng hồ áp suất được đặt phía trư

ơi dòng chảy hẹp nhất và có vận tốc cao nhất Vận tốc d

ới hạn có thể được tính toán từ việc đo áp suất chênh lệch nếu đặc tính

ất hoạt động rộng

ột chất lỏng di chuyển

à khi chất lỏng có òng chảy khi đó

ột khoảng thời

ảy tăng tốc Áp suất

ợc nhờ sử dụng đồng hồ đo áp suất hoặc

ước vùng giới

ận tốc cao nhất Vận tốc dòng

ệch nếu đặc tính

của vật chất chảy qua ống là biết tr

lệch áp suất tăng 4 lần Quan hệ áp suất l

Các tấm “orifice” là thiết bị giới hạn đ

đặt trong dòng chảy quá trình gi

đứng Hình 5 là một ví dụ về một tấm “orifice” ti

qua tấm “orifice” có lỗ hở 1,345 inch

Phía vào của tấm “orifice” thường đ

ợc nhận dạng bằng cách kiểm tra lỗ khoan Nếu nó có một cạnh xi

ếu lỗ khoan không có cạnh xiên, đây là loại tiêu biểu cho các tấm ống có kích thước lớn, không cần phân biệt mặt nào là phía vào hay

ất lỏng tăng gấp đôi, độ chênh

ậc hai

ợc sử dụng phổ biến nhất Tấm “orificie” được

ống nằm ngang hay thẳng

ảy bị giới hạn khi đi

ầm của nó Nếu không, phía

ểm tra lỗ khoan Nếu nó có một cạnh xiên, cạnh

ểu cho các tấm

ào là phía vào hay

ra Thông thường, các tấm “orifice” đư

vào

Các tấm “orifice” có thể có các lỗ hở có h

của chất lỏng mà chúng được thiết kế cho ph

§ Nếu dòng chất lỏng chứa bọt khí hoặc chứa chất khí c

đỉnh ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép các bọt khí đi qua đó mkhông qua lỗ hở đo lường

§ Cũng giống như thế, nếu d

ngưng tụ này sẽ tập trung ở đáy của đ

để cho phép chất lỏng đi qua m

đo

Hình 7 trình bày một phương pháp đ

“orifice” để đo lưu lượng Chúng

hoặc lỗ mặt bích 2½D – 8D 2½D

đường kính ống về phía trước và m

kính ống về phía sau Một cấu h

được lắp đặt trong mặt bích để có thể giữ luôn tấm “orifice”

orifice” được đánh dấu các thông tin nhận dạng b

ấm “orifice” có thể có các lỗ hở có hình dáng và vị trí khác nhau tùy theo đ

ợc thiết kế cho phù hợp:

ất lỏng chứa bọt khí hoặc chứa chất khí có xu hướng tập trung trỉnh ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép các bọt khí đi qua đó m

ờng

ế, nếu dòng chảy quá trình là chất khí có thể bị ng

ẽ tập trung ở đáy của đường ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông

ể cho phép chất lỏng đi qua mà không phải đi qua lỗ chính gây sai lệch kết quả

Hình 6 ương pháp đặt các lỗ lấy áp suất trên đường ống nếu sử dụng tấm ợng Chúng được gọi là bán kính hoặc lỗ D – D/2 Cách khác là l8D 2½D – 8D có một lỗ cách tấm “orifice” một đoạn 2

à một lỗ khác cách tấm “orifice” một đoạn 8 lần đống về phía sau Một cấu hình khác là lỗ mặt bích, cấu hình này rất phổ biến v

ợc lắp đặt trong mặt bích để có thể giữ luôn tấm “orifice”

ợc đánh dấu các thông tin nhận dạng bên phía mặt

ùy theo đặc tính

ớng tập trung trên ỉnh ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép các bọt khí đi qua đó mà

ất khí có thể bị ngưng tụ, phần

ấm “orifice” sẽ có một lỗ thông

ải đi qua lỗ chính gây sai lệch kết quả

ờng ống nếu sử dụng tấm D/2 Cách khác là lỗ

ột lỗ cách tấm “orifice” một đoạn 2½ lần

ột lỗ khác cách tấm “orifice” một đoạn 8 lần đường

ất phổ biến và

Hình 7Trong hình 8 sử dụng một đồng hồ đo ch

hình 7

Trong ví dụ ở hình 8, giả sử một va

gấp đôi Nếu chúng ta sử dụng các phép toán phức tạp để tính l

suất đo được, chúng ta nhận thấy rằng độ ch

tăng gấp đôi tương ứng, nhưng l

tuyến tính với căn bậc hai của độ ch

áp suất Bảng ở hình 9 sau đây đưa ra s

nước) với lưu lượng tương ứng đ

gallons/phút

Hình 7

ử dụng một đồng hồ đo chênh áp thay vì sử dụng hai đồng hồ ri

Hình 8

ả sử một van được mở trên đường ống, và lưu lượng thể tích tăng

ấp đôi Nếu chúng ta sử dụng các phép toán phức tạp để tính lưu lượng từ các giá trị áp

ợc, chúng ta nhận thấy rằng độ chênh lệch áp suất qua tấm “orifice” không

lại tăng 4 lần Điều này là bởi vì lưu lượng thể tích tỷ lệ

ến tính với căn bậc hai của độ chênh lệch áp suất chứ không phải chính độ ch

đây đưa ra sự so sánh giữa sự thay đổi độ chứng được tính theo phần trăm thang đo, pounds/giờ, v

ử dụng hai đồng hồ riêng như ở

ợng thể tích tăng ợng từ các giá trị áp ệch áp suất qua tấm “orifice” không

ợng thể tích tỷ lệ ệch áp suất chứ không phải chính độ chênh lệch

ự so sánh giữa sự thay đổi độ chênh áp (inch

ợc tính theo phần trăm thang đo, pounds/giờ, và

Áp suất sai lệch (inchs

H2O)

Lưu lượng (gal/phút)

Lưu lượng (lbs/giờ)

5

0

50.0 47.4 44.7 43.3 38.7 35.3 31.6 27.4 25.0 22.3 15.8 12.5 11.2 0.0

25,000 23,171 22,361 21,651 19,365 17,678 15,811 13,693 12,500 11,180 7,906 6,250 5,590

0

100.0% 94.9% 89.4% 86.6% 77.5% 70.7% 63.2% 54.8% 50.0% 44.7% 31.6% 25.0% 22.4% 0.0% Hình 9

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 11: C

1.5 Cảm biến lưu lượng kiểu từ tr

Các máy đo lưu lượng kiểu từ tr

lỏng hoặc chất dạng vữa dẫn điện Chúng sử dụng nguy

khi vật dẫn điện đi qua từ trường, một điện áp sẽ đ

lượng kiểu từ trường, vật liệu dẫn điện l

nhanh, điện áp tạo ra càng lớn

Hình 10

Hình 11: Cảm biến kiểu Vortex đặc trưng

ợng kiểu từ trường

ợng kiểu từ trường được sử dụng để đo lưu lượng thể tích của chất

ặc chất dạng vữa dẫn điện Chúng sử dụng nguyên lý tương tự với máy phát điện ;

ờng, một điện áp sẽ được tạo ra Khi sử dụng máy đo lờng, vật liệu dẫn điện là chất lỏng hay chất dạng vữa Dòng ch

ợng thể tích của chất

ự với máy phát điện ;

ợc tạo ra Khi sử dụng máy đo lưu

òng chảy càng

Máy đo lưu lượng kiểu từ trường không có bộ phận chuyển động Hai cuộn dây từ, đđặt đối diện nhau trong một ống cách ly, tạo ra một từ tr

áp tạo ra khi vật liệu dẫn điện chạy qua ốn

thành ống Các cảm biến chuyển đổi điện áp n

lưu lượng thể tích

Một cảm biến lưu lượng kiểu từ tr

lớn để có thể đo được Axít, chất ăn da, thép nóng chảy sẽ l

chất như nước cất và các hydrocarbon s

biến sẽ được hiệu chuẩn để phù h

kiểu từ trường có thể được sử dụng với các chất ăn m

vữa phải di chuyển tương đối nhanh để tránh bám dích tr

của chúng phù hợp với hệ thống Chúng có thể đ

tương đối ít nhạy cảm với nhiệt độ Các h

cực có thể làm hỏng máy đo Cẩn thận mỗi khi sử dụng h

mang các cảm biến lưu lượng kiểu từ tr

Hình 12 ờng không có bộ phận chuyển động Hai cuộn dây từ, đ

ặt đối diện nhau trong một ống cách ly, tạo ra một từ trường qua đường kích ống Điện

ạo ra khi vật liệu dẫn điện chạy qua ống được đo bởi các điện cực cảm biến lắp trống Các cảm biến chuyển đổi điện áp này thành tín hiệu điện ngõ ra t

ợng kiểu từ trường chỉ làm việc chính xác khi điện áp đ

ợc Axít, chất ăn da, thép nóng chảy sẽ làm việc tốt, nhưng nh

à các hydrocarbon sẽ không làm việc được bởi vì dẫn điện kém Cảm

ù hợp với vật liệu dẫn điện cần đo Các cảm biến l

ợc sử dụng với các chất ăn mòn và chất lỏng dạng vữa (chất dạng

ối nhanh để tránh bám dích trên máy đo) nếu tính dẫn điện

ợp với hệ thống Chúng có thể được sử dụng với các vật liệu nhớt v

ạy cảm với nhiệt độ Các hư hỏng đối với bộ phận cách ly ống vỏng máy đo Cẩn thận mỗi khi sử dụng hơi để làm sạch đ

ợng kiểu từ trường Nếu hơi bị giữ lại bên trong, nó s

ờng không có bộ phận chuyển động Hai cuộn dây từ, được

ạch đường ống có

ên 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