Cảm biến lưu lượng và ứng dụng

Cảm biến lưu lượng
Trần chánh phát
Phan VIỆT TUẤN
Nguyễn văn nguyên
Thái bình minh


Các loại cảm biến
• Coriolis
• Từ trường (Electromagnetic)
• Siêu âm (Ultrasonic)
• Tạo độ xoáy (Vortex/Swir generation)
• Nhiệt (Thermal)
• Áp suất sai lệch (chênh áp - Differential Pressure)


Cảm biến lưu lượng coriolis
Nguyên lý làm việc: ứng dụng hiệu ứng 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
này 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 này làm cho dao động
của ống đã đã biết 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.


Cảm biến lưu lượng coriolis

Cảm biến lưu lượng coriolis
Phương pháp đo của cảm biến lưu lượng Coriolis dựa trên
nguyên tắc đo lực Coriolis
Fc = 2.∆m(ν.ω)
Fc: Lực Coriolis
∆m: Khối lượng dịch chuyển trên một đơn vị thời gian
ω: Vận tốc quay
ν: Vận tốc thằng (xuyên tâm) trong một hệ quay hoặc giao
động
Độ lớn của lực Coriolis sẽ phụ thuộc vào ∆m (khối lượng dịch
chuyển), ν (vận tốc thẳng), ω (vận tốc quay) là một hằng số
được nhờ các bộ phát giao động của cảm biến.


Cảm biến lưu lượng coriolis
Đặc điểm:
Độ chính xác 0.1%
Phép đo không phụ thuộc vào đặc tính chất lỏng
Đo lưu lượng khối lượng
Tùy theo nhà sản xuất mà ống có dạng đơn, thẳng, cong, kép.
Phạm vi sử dụng:
Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí sạch và nhớt
Đường kính ống không quá lớn


Cảm biến lưu lượng coriolis
Áp suất làm việc: 0 – 400bar
Nhiệt độ làm việc: -50 – 350oC

Cảm biến lưu lượng từ trường
Nguyên lý làm việc: Cảm biến lưu lượng điện từ
hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và
được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có
tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ
trường đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất
lỏng. Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy
qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng.
Điện áp này được lấy ra bởi hai điện cực đặt
ngang đường ống. Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ
trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được.


Cảm biến lưu lượng từ trường
Đặc điểm:
Chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện
Sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện,
cấu tạo đường ống và cách lắp đặt
Không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo
lưu lượng thấp
Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt
như xi măng, thạch cao, … vì cảm biến đo loại này không có
các bộ phận lắp đặt phía trong ống dẫn
Độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng
Giá thành cao hơn.


Cảm biến lưu lượng siêu âm
Nguyên lý làm việc: Cảm biến lưu lượng siêu âm

dựa vào hiệu ứng Doppler. Cảm biến này bao
gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát thực hiện lan
truyền sóng siêu âm với tần số f1=0.5-10MHz
vào trong chất lỏng với vận tốc là v. Giả sử rằng
hạt vật chất hoặc các bọt trong chất lỏng di
chuyển với cùng vận tốc. Những hạt vật chất này
phản xạ sóng lan truyền đến bộ thu với một tần
số f2. Sai lệch giữa tần số phát ra và tần số thu
về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc
dòng chảy. Bởi vì loại cảm biến lưu lượng siêu
âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của hạt vật
chất trong chất lỏng, nên nó không làm việc
được với các chất lỏng một pha, tinh khiết.


Cảm biến lưu lượng siêu âm
Cảm biến lưu lượng dựa vào hiệu ứng Doppler không đắt
Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa ra kỹ thuật đo chất lỏng
không dẫn điện và ăn mòn
Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp đặt gá, kẹp vào đường ống hiện
tại, cho phép không cần cắt bỏ hoặc phá hủy một phần đường
ống, loại bỏ đến tổi thiểu sự tác động con người đến chất lỏng
độc hại và giảm sự bụi bẩn cho hệ thống
Không có thành phần lắp đặt trong ống, không làm giảm áp lực
Điểm nổi bật của cảm biến siêu âm là kết quả phép đo độc lập
với hình dạng dòng chảy
Giá thành đắt và dòng chảy cần được điền đầy ống


Cảm biến lưu lượng tạo độ xoáy

Nguyên lý làm việc: 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.
V = tần số xoáy/k
K là hệ số phục thuộc vào số Reynol và tỷ trọng của chất lỏng
nhưng không đổi trong dải lưu lượng rộng.


Cảm biến lưu lượng tạo độ xoáy
Đặc điểm:
Đo chính xác 1%
Ít gây tổn hao lưu lượng
Phạm vi sử dụng:
Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí, hơi nước
Chịu được tốc độ cao nhưng có thể nhạy với dao động bên
ngoài
Ít dùng đo lưu lượng thấp
Áp suất làm việc: 0 – 250bar
Nhiệt độ làm việc: 0 – 400oC


Cảm biến lưu lượng nhiệt


Cảm biến lưu lượng chênh áp

Nguyên lý làm việc: dựa theo định luật Becnuli, 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.


Cảm biến lưu lượng chênh áp
Đặc điểm:
Cấu tạo đơn giản, chắc chắn
Làm việc không gây tiếng ồn, dễ chế tạo hàng loạt
Gây tổn hao lưu lượng dòng chạy
Đo lưu lượng thể tích
Phạm vi sử dụng:
Đo được trong môi trường bất kỳ
Áp suất làm việc: 0 – 420bar
Nhiệt độ làm việc: 0 – 1000oC