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

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