Đo lưu lượng đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì nó phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa các quá trình sản xuất. Chính vì vậy việc hiểu rõ về phương pháp đo, cũng như nắm vững các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng là điều hết sức cần thiết.
Mở đầu
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí, chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩm-nước giải khát, dầu mỏ- khí đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng … Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào. Việc chọn lựa cảm biến đo lưu lương loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc tính chất lỏng (dòng chảy một hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng và yêu cầu về độ chính xác phép đo. Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh hưởng đến quyết định chọn lựa này. Nói chung, độ chính xác của lưu lượng kế còn phụ thuộc vào cả môi trường đo xung quanh. Các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, chất lỏng/khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh hưởng đến kết quả đo.
Cảm biến đo lưu lượng trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường nhiễu cao và thường bị xung áp. Điều này đòi hỏi các cảm biến đo lưu lượng phải hoạt động bình thường cả với xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với độ chính xác cao. Thông thường, trong công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-20mA giữa bộ truyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển. Bộ truyền tín hiệu đo gắn với cảm biến đo lưu lượng có thể được cấp nguồn bởi chính mạch vòng 4-20mA này hoặc bằng nguồn riêng. Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vòng 4-20mA có yêu cầu rất khắt khe về công suất: tất cả các thiết bị điện thu thập/xử lý và truyền tin cần phải hoạt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 4-20mA, chỉ những vi xử lý/vi điều khiển tiêu thụ rất ít điện (ví dụ dòng vi điều khiển DSP) mới được kết hợp dùng chung nguồn của mạch vòng 4-20mA. Bộ truyền tín hiệu với kết nối truyền số liệu dạng số như tích hợp giao diện bus trường (Profibus, I/O Link) hoặc kết nối không dây ngày càng phổ biến, vì chúng làm giảm thời gian khởi động và cho phép giám sát liên tục, cũng như chẩn đoán lỗi. Tất cả các yếu tố này góp phần cải thiện đáng kể năng suất và hiệu quả của hệ thống tự động hóa.
Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm. Dưới đây, bài báo sẽ trình bày tổng quát về nguyên tắc hoạt động, ưu điểm và nhược điểm, cũng như những đặc tính của cảm biến lưu lượng chất lỏng, chất khí nhằm giúp người sử dụng chọn đúng cảm biến cho ứng dụng của mình.
Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất
Lưu lượng kế loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Hình 1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ orifice, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra. Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy. Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy.
 |
| Hình 1: Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice): chênh lệch áp suất trước và sau lỗ tròn Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thức Q2=KΔp, p1 – áp suất trước tấm lỗ, p2 – áp suất sau tấm lỗ, K – hệ số, phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ orifice. |
Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứng dụng công nghiệp cần lưu ý các điểm sau:
– cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì-bảo dưỡng;
– phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp;
– độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ;
– sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm;
– yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy.
Cảm biến lưu lượng điện từ
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 (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 2). 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.
Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC. Khi kích hoạt bằng nguồn AC – 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệu xoay chiều. Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC. Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu. Do đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo. Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường là vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được. Bởi vậy, phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao. Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC.
 |
| Hình 2: Cảm biến lưu lượng điện từ: điến áp cảm ứng E=KDBv, B – từ trường, D – chiều dài chất dẫn điện (khoảng cách 2 điện cực đo điện áp cảm ứng), v – vận tốc dòng chảy, K – hệ số. |
Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến các điểm sau:
– 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 Coriolis
Đây là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến. Chúng thực hiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ống dẫn. Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạn cong (hình 3). Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắp đặt và bảo trì – bảo dưỡng nhưng thiết bị đo loại này rất nhạy cảm với nhiễu và tác động bên ngoài. Cấu trúc của ống đôi cong cho phép loại bỏ được nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống dẫn dòng chảy dao động ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu được nhiễu.
 |
| Hình 3: Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta |
Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài. Khi chất lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis. Dao động rung của các ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên các ống dẫn này. Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịch với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy trong ống dẫn đến phương chuyển động thẳng đứng. Các sensor điện cực đặt cả phía dòng chảy vào (Inlet pickoff) và phía dòng chảy ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δt) của tín hiệu vào (Inlet pickoff signal) và tín hiệu ra (Outlet pickup signal). Sự dịch pha này (Δt) được dùng để xác định trực tiếp lưu tốc khối lượng dòng chảy qua ống. Hình 4 minh họa hoạt động của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng đứng im (No flow) và chất lỏng di chuyển (Flow).
 |
Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau:
– đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, hình dạng dòng chảy đến phép đo;
– độ chính xác cao;
– cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọng bởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua ống;
– không đo được lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ như chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt; …) bởi vì các hạt/vật chất đặc biệt này làm giảm sự dao động của ống dẫn, gây ra sai số phép đo.
 |
| Hình 5: Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa trên hiệu ứng Doppler: lưu lượng thể tích Q=KΔ(f1,f2), f1 – tần số sóng phát, f2 – tần số sóng thu về, K – hệ số, phụ thuộc góc tới/phản xạ, vị trí vật chất phản xạ, mặt cắt ngang |
Cảm biến lưu lượng siêu âm
Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler được thể hiện trên hình 5. 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 lêch 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 siêu âm xuyên thẳng (transit-time). Cảm biến loại này (hình 6) có thể cho phép đo lưu lượng đối với chất lỏng/khí rất sạch (không lẫn tạp chất). Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bị biến đổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm với trục của dòng chảy một góc xác định trước. Mỗi thiết bị biến đổi bao gồm bộ thu và bộ phát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau (thiết bị này phát thì thiết bị kia thu). Dòng chảy trong ống gây ra sự sai lệch thời gian của chùm sóng siêu âm khi di chuyển ngược dòng và xuôi dòng chảy. Đo giá trị sai lệch về thời gian của chùm sóng xuyên qua dòng chảy này cho phép ta xác định vận tốc dòng chảy. Sự sai lệch thời gian này vô cùng nhỏ (nano-giây), do đó cần phải dùng thiết bị điện từ, điện tử có độ chính xác cao để thực hiện phép đo, hoặc tiến hành đo trực tiếp thời gian này.
 |
| Hình 6: Cảm biến lưu lượng siêu âm xuyên thẳng: lưu lượng thể tích Q=K(t1-t2)/(t1t2), t1 – thời gian sóng xuyên qua dòng chảy xuôi dòng, t2 – thời gian sóng xuyên qua dòng chảy ngược dòng, K – hằng số, phụ thuộc chiều dài đường âm thanh, tỉ số giữa trục và đường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang. |
Khi lắp đặt cảm biến siêu âm, cần lưu ý đến các điểm sau:
– 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.
Kết luận
Bài báo đã trình bày về sự hoạt động của bốn nhóm cảm biến đo lưu lượng. Những đặc điểm của chúng khi ứng dụng trong công nghiệp được tổng hợp trong bảng 1.
 |
| Bảng 1: Đặc điểm của bốn nhóm cảm biến lưu lượng |
Trong xu hướng tích hợp tự động hóa và điều khiển phân tán, các cảm biến lưu lượng ngày càng “thông minh”. Chúng được trang bị các giao diện bus trường công nghiệp, cải tiến bộ tính toán tốc độ cao, tiêu thụ ít điện năng. Việc chọn lựa đúng loại cảm biến lưu lượng cho ứng dụng cụ thể tùy thuộc vào các thay đổi về công nghệ, cũng như sản phẩm có trên thị trường và giá thành đầu tư. Nhờ nắm rõ được tính chất của chất lỏng được sử dụng, biết được ứng dụng của lưu lượng kế, yêu cầu về độ chính xác phép đo và những nhận biết về giới hạn vật lý, về điều kiện vận hành, người thiết kế có thể nhanh chóng thu hẹp vùng chọn lựa thiết bị.
Trịnh Lương Miên
Đại học Giao thông vận tải Hà Nội (UCT)
