Lý thuyết bài giảng môn Kỹ thuật cảm biến và đo lường nội dung chương 12: Đo lưu lượng
Lý thuyết bài giảng môn Kỹ thuật cảm biến và đo lường nội dung chương 12: Đo lưu lượng của Đại học Xây dựng Hà Nội với những kiến thức và thông tin bổ ích giúp sinh viên tham khảo, ôn luyện và phục vụ nhu cầu học tập của mình cụ thể là có định hướng ôn tập, nắm vững kiến thức môn học và làm bài tốt trong những bài kiểm tra, bài tiểu luận, bài tập kết thúc học phần, từ đó học tập tốt và có kết quả cao cũng như có thể vận dụng tốt những kiến thức mình đã học vào thực tiễn cuộc sống. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Kỹ thuật cảm biến và đo lường 13 tài liệu
Trường: Đại học Xây Dựng Hà Nội 475 tài liệu
Tác giả:
Preview text:
lOMoARcPSD| 38777299
CHƯƠNG 12.- ĐO LƯU LƯỢNG
Chất lưu là các môi trường vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại dưới những
iều kiện nhiệt ộ, áp suất, thể tích ược xác ịnh bởi các ịnh luật nhiệt ộng học. Dưới
tác dụng của các lực bên ngoài (ví dụ sự chênh lệch áp suất), chất lưu sẽ chuyển ộng,
chuyển ộng này ược ặc trưng bởi dòng chảy với các thông số : vận tốc, khối lượng
riêng, áp suất và nhiệt ộ ở các iểm khác nhau của chất lưu, ộ nhớt, ộ khuếch tán
nhiệt, nhiệt lượng riêng … Thông số thường cần quan tâm nhất của sự chuyển ộng
này là vận tốc và lưu lượng của chất lưu, khi ó thường xem các thông số còn lại là
không ổi. Một trong số các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng
các chất chảy qua ống dẫn.
Lưu lượng vật chất là số lượng chất ấy chuyển qua một tiết diện ngang của
ống dẫn trong một ơn vị thời gian.
Muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống iều khiển tự
ộng các quá trình công nghệ cần phải o ược chính xác thể tích và lưu lượng các chất.
Việc o lưu lượng là một phần thiết yếu trong mọi quá trình công nghiệp và trong các
ngành công nghệ. Đo lưu lượng óng một vai trò vô cùng quan trọng (cũng như việc
o nhiệt ộ, áp suất, mức chất lỏng …).
Trong việc o lưu lượng, cần phân biệt :
- Lưu lượng ược tính bằng thể tích trên ơn vị thời gian : V 3/s hoặc m3/h) Qv = (m t
- Lưu lượng ược tính bằng trọng khối trên một ơn vị thời gian : m Qm = (kg/s hoặc kg/h) t
Khi biết tỷ trọng ρ của môi trường cần o thi hai loại lưu lượng trên ược tính bằng phương trình : Qm = Qv . ρ
- Lưu lượng tức thời ược tính theo công thức : dV Q = dt
với V là thể tích của chất lưu.
- Lưu lượng trung binh trong khoảng thời gian Δt = t2 - t1 xác ịnh bởi biểu thức : lOMoARcPSD| 38777299 Q ) với tb = V . (t2 – t1 (t ) là khoảng thời gian o. 2 – t1
Trong quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp như hóa chất, chế biến,
iện năng … lưu lượng tính bằng trọng khối cần biết nhưng khó o ạc hơn. Trong
một hệ thống khép kín, lưu lượng tính bằng trọng khối, lưu khối cố ịnh, trong khí ó
lưu lượng tính bằng thể tích lại thay ổi theo nhiệt ộ và áp suất.
Môi trường o khác nhau ược ặc trưng bằng tính chất hóa lý và các yêu cầu
công nghệ, do ó mà ta phải có nhiều phương pháp o lưu lượng dựa trên những
nguyên lý khác nhau. Để thích ứng với các nhu cầu khác nhau trong công nghiệp, ã
phát triển rất nhiều phương pháp o lưu lượng chất lỏng, hơi nước, chất khí …
Để o lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế. Tuỳ thuộc vào tính chất chất
lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng các lưu lượng kế khác nhau. Nguyên lý
hoạt ộng của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở : -
Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua thiết bị o trong một khoảng thời gian xác ịnh Δt. -
Đo vận tốc chất lưu chảy qua thiết bị o khi lưulượng là hàm của vận tốc. -
Đo ộ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc ộ giảm áp.
Tín hiệu o biến ổi trực tiếp thành tín hiệu iện hoặc nhờ bộ chuyển ổi iện thích hợp.
Các cảm biến lưu lượng ược phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý
hoạt ộng của chúng : cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu
lượng iện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm.
Lưu lượng kế là cảm biến o không thể thiếu ể o lưu lượng của chất khí, chất
lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩmnước
giải khát, dầu mỏ- khí ốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, iện, xi măng … Trên
thị trường, các loại lưu lượng kế rất a dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công
nghiệp hay dân dụng nào. Việc chọn lựa cảm biến o lưu lương loại nào cho ứng
dụng cụ thể thường dựa vào ặc tính chất lỏng (dòng chảy một hay hai pha, ộ nhớt, ộ
ậm ặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu
lượng và yêu cầu về ộ chính xác phép o. Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí
và kết nối ầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh hưởng ến quyết ịnh chọn lựa này. Nói chung,
ộ chính xác của lưu lượng kế còn phụ thuộc vào cả môi trường o xung quanh. Các
ảnh hưởng của áp suất, nhiệt ộ, chất lỏng/khí hay bất kỳ tác ộng bên ngoài nào ều
có thể ảnh hưởng ến kết quả o. lOMoARcPSD| 38777299
Cảm biến o lưu lượng trong công nghiệp ược lắp ặt ở môi trường nhiễu cao
và thường bị xung áp. Điều này òi hỏi các cảm biến o lưu lượng phải hoạt ộng bình
thường cả với xung iện áp và bù ược nhiễu ể ảm bảo ưa ra tín hiệu o với ộ chính xác
cao. Thông thường, trong công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-
20mA giữa bộ truyền tín hiệu o với thiết bị iều khiển. Bộ truyền tín hiệu o gắn với
cảm biến o lưu lượng có thể ược cấp nguồn bởi chính mạch vòng 4-20mA này hoặc
bằng nguồn riêng. Bộ truyền tín hiệu o sử dụng mạch vòng 4-20mA có yêu cầu rất
khắt khe về công suất : tất cả các thiết bị iện thu thập/xử lý và truyền tin cần phải
hoạt ộng ộc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 4-20mA, chỉ những vi xử lý/vi iều
khiển tiêu thụ rất ít iện (ví dụ dòng vi iều khiển DSP) mới ược kết hợp dùng chung
nguồn của mạch vòng 420mA. 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 ộng và cho phép giám sát liên tục,
cũng như chẩn oán lỗi. Tất cả các yếu tố này góp phần cải thiện áng kể năng suất và
hiệu quả của hệ thống tự ộng hóa.
Sau ây, sẽ trình bày tổng quát về các phương pháp o lưu lượng, nguyên tắc
hoạt ộng, ưu iểm và nhược iểm, cũng như những ặc tính của cảm biến lưu lượng
chất lỏng, chất khí nhằm giúp người sử dụng chọn úng cảm biến cho ứng dụng của mình.
12.1.- Đo lưu lượng theo tốc ộ trung bình.
Dùng o lưu lượng chất lỏng, chất khí.
Nếu trong ường ống có dòng vật chất chảy qua mà ta o ược tốc ộ trung bình
của dòng chảy thì sẽ tính ược lưu lượng theo công thức : Q = F . vtb
Vấn ề chính của phương pháp o này là phải xác ịnh ược vtb.
Mặt khác, ta lại biết rằng áp suất ộng của dòng chảy là hàm của tốc ộ, tức là : 2 v P = . γ 2g
Như vậy, nếu ta o ược P thì xác ịnh ược v xác ịnh ược Q. Nhưng ta lại biết rằng : Ptp = P + Pt
Do ó ể có ược P ta phải i xác ịnh Ptp và Pt theo hình 12.1. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.1.- Cách bố trí ống o Ptp và Pt.
Dụng cụ dùng xác ịnh Ptp và Pt là ống Pito.
Ống Pito là một dụng cụ o lưu tốc iểm. Gồm hai ống nhỏ ường kính chừng
vài mm : một ống thẳng và một ống ầu uốn cong 900, hai miệng ống ặt sát nhau và
ặt lồng vào nhau. Ống trong có mặt cắt thông với môi trường o theo hướng vuông
góc với dòng chảy. Ống ngoài có mặt cắt thông với môi trường o theo hướng song
song với dòng chảy (hình 12.2). Sau khi ta ặt vào vị trí muốn o lưu tốc, ọc ộ chênh
mực nước, sẽ tính ra ược lưu tốc iểm. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.2.- Cấu tạo và hình dáng ống Pito.
Thông qua dụng cụ ống Pito ta xác ịnh ược : P = Ptp - Pt = ΔP
Như vậy : v = 2g . P Q = F . v
Nhưng do sự phân bố tốc ộ trong ường ống không ồng ều, tốc ộ lớn
nhất là trung tâm dòng chảy và tốc ộ giảm dần ra ến biên (xem hình 12.3).
Hình 12.3.- Sự phân bố vận tốc dòng chảy trong ường ống.
Như vậy, khi o bằng ống Pito mà chỉ tiến hành o một iểm thì kết quả chỉ là
của chính iểm ó chứ không phải là giá trị vtb .
Do vậy, phải sử dụng nhiều ống Pito ể o, theo nguyên tắc sau :
- Đối với ống tiết diện tròn :
Tiết diện ống ược chia tiết diện ngang của ống thành nhiều hình vành khăn
ồng tâm có diện tích bằng nhau (xem hình 12.4), trên mỗi hình vành khăn cần o vận
tốc ở 4 iểm thanh hai ường kính trực giao.
Hình 12.4.- Phân lưới với ống tiết diện tròn, tiết diện vuông (chữ nhật). lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.5.- Sơ ồ thí nghiệm xác ịnh biểu ồ vận tốc & lưu lượng dòng khí.
- Giá thành ắt và dòng chảy cần ược iền ầy ống. Tại mỗi ường tròn, ặt
một ống Pito ể o Pi vi .
Sau ó vtb ược xác ịnh : n v tb = v v1 2 ... vn = i 1 vi n n
Việc chia càng nhiều ường tròn thì phép o càng chính xác nhưng phức tạp.
Đơn giản và áp ứng yêu cầu sai số trong phạm vi cho phép, số lượng hình vành khăn cần chia :
. Khi ường kính ống dẫn d < 200 mm n = 3
. Khi ường kính ống dẫn d < 400 mm n = 4
. Khi ường kính ống dẫn d < 700 mm n = 5
. Khi ường kính ống dẫn d ˃ 700 mm n = 5 ÷ 6
- Đối với ống tiết diện vuông hay chữ nhật :
Chia tiết diện ngang của ống thành các ô vuông nhỏ có diện tích bằng nhau,
sau ó tại mỗi ô vuông nhỏ ta ặt ống Pito tại tâm. Cách xác ịnh tiếp theo cũng như ối
với ống tiết diện tròn.
Phương pháp này có ộ chính xác khá cao.
12.2.- Đo lưu lượng với cảm biến chênh lệch áp suất.
1.- Nguyên lý làm việc :
Dựa vào sự thay ổi thế năng thành ộng năng của dòng chảy khi i qua thiết bị thu hẹp. lOMoARcPSD| 38777299 b) a) c) d)
Hình 12.6.- Bố trí thiết bị o áp tại thiết bị thu hẹp.
Khi trên ường ống ặt một thiết bị thu hẹp (hình 12.6) thì dòng chảy khi tới
thiết bị thu hẹp tốc ộ dòng chảy tăng lên và áp suất cũng tăng lên là do tại ây nó tạo
nên dòng xoáy. Khi qua khỏi thiết bị thu hẹp thì áp suất giảm xuống và có giá trị
bé nhất tại tiết diện F , sau ó áp suất của nó tăng dần lên và ến một lúc nào ó trở về 2
trạng thái cân bằng nhưng không trở về giá trị ầu do ã mất một phần năng lượng
khi i qua thiết bị thu hẹp.
Độ chênh áp ΔP tại mặt cắt F2 phụ thuộc vào Định luật bảo toàn năng lượng
(Định luật Becnuli) và Định luật bảo toàn dòng chảy.
Nếu xét cho chất lỏng không bị nén :
Theo Định luật Becnuli, nếu không tính ến sự mất mát năng lượng do thiết bị
thu hẹp gây ra sẽ ược viết : 2 2 lOMoARcPSD| 38777299 v v P 1 2 1 + γ . = P2 + γ . 2g 2g
trong ó : P1 , P2 – áp suất tĩnh tại tiết diện F1 và tiết diện F2 . Do ó : ΔP = P 2
1 - P2 = 2 g . ( v22 - v1 ) (1) Theo Định
luật bảo toàn dòng chảy ta có thể viết : F F 2 1 . v1 = F2 . v2 v1 = v2 . F1
Do F2 không biết ược vị trí cụ thể. Nếu ặt : F
m = Fo ; μ = 2 v1 = m . μ . v2 (2) F1 Fo Thay (2) vào (1) ta có :
ΔP = 2 g . ( 1 - m2 . μ2 ) . v22 2g 1 v2 = 2 P 1 m2 Do ó : Q = F2 . v2 = μ . Fo . v2 =
2g . Fo . . P (3) m2 2 1
Trong thực tế, không xác ịnh ược chính xác tiết diện mặt cắt F1 và F2 nên ộ chênh
áp người ta thường o trực tiếp trước và sau thiết bị thu hẹp (xem hình 12.6.c và 12.6.d). lOMoARcPSD| 38777299
Hơn nữa trong Định luật bảo toàn năng lượng chúng ta chưa tính ến mất mát
năng lượng do thiết bị thu hẹp gây ra nên biểu thức (3) phải ược nhân thêm hệ số hiệu chỉnh ξ. Khi ó : Q = 2 g . Fo . 1 m. 2 2 . Po Nếu ặt : α = .
và gọi α là hệ số lưu lượng. 1 m2 2 Lúc ó : Q =
2 g . Fo . α . Po (4)
Thực tế thì chất lỏng i qua thiết bị thu hẹp là bị nén. Để xét khi cho trường
hợp chất lỏng bị nén, phải bổ sung thêm hệ số ε vào phương trình (4) lúc ó phương
trình xác ịnh lưu lượng sẽ có dạng : 2g
Q = . Fo . α . ε . Po (5)
Phương pháp này chỉ dùng o lưu lượng chất lỏng, chất khí, hơi quá nhiệt mà
không dùng ược cho hơi bão hòa.
Trong công thức (5) ta thấy Q = f(ΔP) nhưng ΔP lại phụ thuộc vào từng loại thiết bị thu hep.
2.- Những thiết bị thu hẹp : lOMoARcPSD| 38777299 a) b) c)
Hình 12.7.- Các loại thiết bị thu hẹp .
a.- Tấm chắn ; b.- Ống phun (ống Nozzle) ; 3.- Ống Venturi.
Từ nguyên lý làm việc khi o lưu lượng với cảm biến chênh lệch áp suất ã ược
ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp ể o lưu lượng dựa trên các thiết bị cảm biến
như : tấm chắn (a), ống phun (b), ống Venturi (c).
+ Tấm chắn : ược dùng ể tạo ra một sự thay ổi ột ngột trong ường ống, ơn
giản chỉ gồm một tấm kim loại hình tròn ược chèn thêm vào mặt bích của ường ống
như hình 12.7.a. Tấm chắn có tác dụng tạo ra một chênh áp o ược tại D và D/2 với
D là ường kính của ống.
Ta có thể thấy áp suất sau tấm chắn thấp hơn áp suất trước khi i qua tấm chắn
do tấm chắn ã gây ra một tổn hao áp suất.
Khi lưu chất chảy qua tấm chắn sẽ có một lực áng kể tác dụng lên bề mặt tấm
chắn do vậy bề mặt phải ủ cứng ể chống lại tác ộng của lực này. Chuẩn BS 1042 ưa
ra ộ dày chuẩn tối a là 0,1D. Tấm chắn cũng phải có cạnh sắc, cạnh này sẽ phải chịu
ược các ảnh hưởng của sự mài mòn từ dòng chảy của lưu lượng chất nên ược làm
từ các vật liệu như thép chống gỉ ể tránh sự ăn mòn quá mức.
Trên bề mặt tấm chắn cũng phải khoan một lỗ nhỏ. Đối với chất lỏng, lỗ nhỏ
này ược ặt ở phía trên ể làm ường thoát cho các khí và hơi (hình 12.8.a). Đối với lOMoARcPSD| 38777299
các lưu chất khí hay hơi, lỗ lại phải nằm phía dưới , nằm ngang bằng với thành ống
ể cho phép các hơi ngưng tụ có thể i qua (hình 12.8.b). a) b)
Hình 12.8.- Cấu trúc và lắp ặt tấm chắn.
Ưu, nhược iểm khi sử dụng tấm chắn : - Độ ổn ịnh tốt. -
Dễ dàng lắp ặt và bảo trì. -
Chỉ cần sử dụng chung 1 loại bộ truyền tín hiệu (transmitter) mà
không cần quan tâm ế kích thước của ường ống. - Giá thành thấp -
Đoạn ống lắp ặt thiết bị phải là oạn ống thẳng.
+ Ống phun (ống Nozzle) :
Ống phun thường ít ược sử dụng hơn so với loại tấm chắn. Ưu iểm : - Độ ổn ịnh tốt. -
Chỉ cần sử dụng chung 1 loại bộ truyền tín hiệu (transmitter) mà
không cần quan tâm ế kích thước của ường ống. Nhược iểm : -
Đoạn ống lắp ặt thiết bị phải là oạn ống thẳng. - Giá thành cao. lOMoARcPSD| 38777299 -
Cần phải có thiết bị hiệu chuẩn (calibration) ể hiệu chỉnh. + Ống Venturi :
Có thể o ược lưu lượng lớn chất lỏng với mức giảm áp lực thấp. Nó là một
ống có ầu vào nhỏ dần và sau ó là một oạn thẳng. Khi chất lỏng i qua phần nhỏ dần,
vận tốc của nó sẽ tăng lên và áp suất sẽ giảm. Sau oạn ống thẳng, vận tốc sẽ giảm
dần và áp suất sẽ tăng. Ta sẽ o áp suất tại 2 iểm: - Trước oạn thu hẹp. -
Sau oạn ống thẳng (tức là trước khi ống ược mở rộng). Ưu iểm: -
Độ chính xác, ộ tin cậy cao. -
Có thể dùng cho lưu chất dạng vữa hoặc chất lỏng có nhiều tạp
chất. - Chỉ cần sử dụng chung 1 loại bộ truyền tín hiệu (transmitter) mà không
cần quan tâm ế kích thước của ường ống. Nhược iểm : - Giá thành cao -
Quá trình lắp ặt cần có thêm giá ỡ -
Đoạn ống lắp ặt thiết bị phải là oạn ống thẳng.
3.- Lắp ặt thiết bị thu hẹp : -
Thiết bị thu hẹp phải ược lắp ồng tâm với ường ống. -
Đối với tấm chắn : Cần thận trọng khi tiến hành lắp ặt tấm chắn
trên ường ống. Đoạn ống lắp ặt thiết bị tấm chắn phải là oạn ống thẳng Việc
lắp ặt quá gần những chỗ rẽ hay van iều khiển có thể gây ra sự thay ổi áp suất
cục bộ, do vậy nên ể một khoảng trống ít nhất là mười lần ường kính ống
(10D) trước và sau tấm chắn.
Có nhiều cách bố trí các vòi lấy tín hiệu áp suất ược sử dụng với các tấm chắn.
Các cách bố trí thường ược gặp nhất ược trình bày như hình 12.9. lOMoARcPSD| 38777299
Các tấm chắn ược sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng thực tế và có thể nói
là một bộ biến ổi áp suất vi sai. Bộ biến ổi ược kết nối qua một khối ống phân phối như hình 12.10. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.9.- Các cách bố trí và lắp ặt tấm chắn trên ường ống. a) b)
Hình 12.10.- Đo ộ chênh lệch áp suất trong lưu lượng kế áp suất vi sai
Việc lắp ặt ường ống dẫn áp suất cũng phải thận trọng ể tránh các vấn ề xảy
ra do sự ngưng tụ của các chất lỏng ( ối với o khí) và các túi khí ( ối với o chất lỏng),
với chất khí nên ặt BCĐ ở trên tấm chắn với ường ống thẳng lấy áp suất i xuống
dưới , với chất lỏng thì BCĐ nên ặt ở dưới tấm chắn với ường ống thẳng lấy tín hiệu
áp suất i lên. Nếu như vì iều kiện vị trí mặt bằng không cho phép thực hiện ược cách
lắp ặt như trên thì phải bố trí ường ống với các vòi thoát (ống dẫn khí hay ống thoát
chất lỏng) như hình 12.9.b. -
Lưu lượng kế chênh áp ược dùng ể o các lưu chất là chất lỏng ,
chất khí và hơi với ộ chính xác 0,5 ± 2%. -
Các yếu tố cần quan tâm khi sử dụng lưu lượng kế chênh áp
gồm cách lắp ặt nhiệt ộ lưu chất và tồn hao áp suất.
4.- Sơ ồ hệ thống o : lOMoARcPSD| 38777299
Tùy theo yêu sầu sử dụng, người ta có thể sử dụng hệ thống o thích hợp. Dưới
ây giới thiệu sơ ồ khối của một số hệ thống o dùng thiết bị thu hẹp tiêu chuẩn.
Hình 12.11.- Các sơ ồ hệ thống o lưu lượng dùng thiết bị thu hẹp tiêu chuẩn.
1.- Tấm chắn tiêu chuẩn ; 2.- Lưu lượng kế vi sai ; 3.- Bộ biến ổi ộ giảm áp ; 4.- Dụng cụ o thứ
cấp; 5.- Bộ tích phân lưu lượng ; 6.- Dụng cụ tính khối lượng chất lưu ; 7.- Thiết bị tính
toán ; 8.- Bộ biến ổi tỷ trọng chất lưu trong iều kiện làm việc ; 9.- Bộ biến ổi nhiệt ộ ; 10.- Bộ
biến ổi áp suất ; 11.- Bộ biến ổi tỷ trọng trong iều kiện ịnh mức ; 12.- Bộ biến ổi tỷ trọng chất lưu ở 20oC.
12.3.- Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine.
Nguyên lý o : Khi lưu chất i qua thiết bị o nó sẽ làm quay cánh turbine. Lưu
lượng càng lớn thì tốc ộ càng cao. Sẽ có một phần cảm ứng ể cảm nhận tốc ộ quay lOMoARcPSD| 38777299
của cánh turbine và cho ra các xung iện tương ứng. Số lượng các xung trong một ơn
vị thời gian sẽ xác ịnh lưu lượng của lưu chất.
Dùng o tốc ộ chất lỏng i qua một ống kín dùng làm công tơ nước hoặc o tốc ộ của tàu thủy.
Cấu tạo thiết bị o : hình 12.12.
Hình 12.12.- Sơ ồ cấu tạo lưu tốc kế cánh quạt. Cấu tạo :
Cánh quạt 1, giống như cánh tuabin, quay dưới tác dụng của dòng chất lỏng
chuyển ộng. Cánh quạt quay trên ổ quay (giá õ) 2, ược gắn vào thanh ỡ 3 trong ống dẫn.
Ụ ổ quay 4, có cấu tạo sao cho không làm ảnh hưởng tới khí ộng học của dòng
chảy. Trục cánh quạt ược làm bởi vật liệu không dẫn từ, trong ó có gắn lõi thép 5
bằng vật liệu từ mềm.
Bên ngoài ống 8 ặt nam châm vĩnh cửu 6, trên nó có quấn cuộn dây cảm ứng 7.
Khi dòng chất lỏng i vào qua ống 8, cánh tuabin 1 quay và làm cho lõi thép
từ mềm 5 quay theo → từ thông của nam châm 6 sẽ tăng lên khi lõi thép 5 nằm dọc
trục của nam châm và giảm xuống khi lõi thép nằm vuông góc với nó.
Khi từ thông móc vòng trong cuộn dây cảm ứng thay ổi sẽ xuất hiện một suất
iện ộng cảm ứng. Mỗi vòng quay từ thông tăng giảm hai lần nên tần số cảm ứng f
trong cuộn dây cũng tăng gấp hai lần số vòng của trục. Suất iện ộng cảm ứng ó tỷ lệ
với tốc ộ truyền của dòng chất lỏng. Việc o tần số ược thực hiện bởi tần số kế →
xác ịnh ược tốc ộ dòng chất lỏng i qua ống.
Thiết bị này có sai số từ 1 ÷ 3 %. Nguyên nhân chính gây sai số là do ma sát
giữa trục quay với ổ quay. Để giảm sai số phải làm sao cho ma sát cánh tuabin phải nhỏ. lOMoARcPSD| 38777299
12.4.- Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt.
Nguyên lý o này thường ược dùng trong các hệ thống dầu tuần hoàn của các
hệ thống máy công suất lớn. Có hai hình thức : -
Đặt một lượng nhiệt nhất ịnh vào dòng lưu chất và o sự suy giảm lượng nhiệt ấy qua hai iểm. -
Đặt một nguồn nhiệt vào lưu chất sao cho sự chênh lệch nhiệt ộ giữa
hai iểm là không ổi. Về cấu tạo thì nguyên lý o nầy cần tối thiểu là 2 TE (Thermal
Element). Một trong hai cái sẽ dùng ể o nhiệt ộ của dòng lưu chất trước khi gia nhiệt
và cái còn lại o nhiệt ộ của dòng lưu chất sau khi gia nhiệt. Như vậy, cho dù nhiệt ộ
của dòng lưu chất trước khi o có thay ổi thì kết quả o vẫn bảo ảm ộ chính xác cần
thiết. Kết quả o của 2 TE sẽ ược xử lý và thiết bị o sẽ cho ra kết quả là tín hiệu iện
(4 ÷ 20mA, 1 ÷ 5V...) tỉ lệ với lưu lượng của lưu chất.
Hình 12.13.- Mô tả quá trình hoạt ộng của thiết bị o lưu lượng theo phương pháp gia nhiệt.
a.- Lưu tốc kế nhiệt iện trở kiểu không tiếp xúc.
Cấu tạo cho trên hình 12.14.
Ống dẫn khí 1, trên có quấn cuộn dây ốt nóng 2. Tại hai phía của cuộn ốt nóng
2 có ặt hai cuộn dây ồng 3 và 4 ể làm nhiệt iện trở và là hai nhánh của cầu. Cầu ược
cung cấp bởi nguồn xoay chiều và ược dùng ể xác ịnh sự mất cân bằng ở nhiệt ộ chất khí i qua.
Giả sử tại cuộn 3, nhiệt ộ dòng khí là to thì tại cuộn 4 nhiệt ộ dòng khí lúc ó
sẽ là to + ∆t. Lúc này cầu sẽ mất cân bằng, iện áp mất cân bằng ược ưa vào bộ
khuếch ại 5, tín hiệu ra của khuếch ại sẽ iều chỉnh chiều quay của ộng cơ ảo chiều
6. Quá trình iều chỉnh như sau : -
Khi cầu ở trạng thái cân bằng, ầu vào khuếch ại 5 bằng 0, ộng cơ ảo chiều 6 không làm việc. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.14.- Sơ ồ cấu tạo thiết bị o lưu tốc kiểu nhiệt iện trở không tiếp xúc. -
Khi cầu mất cân bằng, tức là có sai lệch nhiệt ộ một khoảng bằng ∆t
giữa cuộn dây ồng 3 và 4 → xuất hiện iện áp mất cân bằng → iện áp này ược ưa vào
khuếch ại 5, tín hiệu ra ở khuếch ại sẽ làm ộng cơ ảo chiều 6 quay, sẽ tác ộng lên
con chạy của biến trở iều chỉnh 7 ể iều chỉnh dòng ốt nóng cuộn dây ốt nóng 2.
Chỉ cần xác ịnh công suất ốt nóng W thì sẽ suy ra tốc ộ truyền của dòng chất
khí. Nếu bố trí thêm một công tơ iện Wh ta có thể xác ịnh ược lượng khí chuyển qua ống trong thời gian xét.
Dụng cụ này dùng o lưu tốc lớn cũng như nhỏ (vài nghìn m3/h), sai số không quá 1 ÷ 2 %.
b.- Lưu tốc kế nhiệt
iện trở o véctơ tốc
ộ không khí trong môi trường tự do. Sơ ồ như hình 12.15. Trong sơ ồ :
Rt là chuyển ổi nhiệt iện trở có cấu tạo dạng a) và b).
a) có cấu tạo gồm dây rất mảnh 1 làm nhiệt iện trở, ược hàn lên hai ầu
sợi dây manganin 2 mà dây 2 ược gắn vào giá cách nhiệt 3. lOMoARcPSD| 38777299 1 2 3 a) 1 3 2 b) c)
Hình 12.15.- Sơ ồ cấu tạo của lưu tốc kế nhiệt iện trở o véctơ tốc ộ không khí trong môi trường tự do.
a) , b) Cấu tạo chuyển ổi nhiệt kế iện trở ; c) Sơ ồ cấu tạo mạch o.
Dây mảnh 1 ược ốt bằng nhiệt, nhiệt lượng do dòng ốt phát ra ược cân bằng với
nhiệt lượng tỏa nhiệt do sự chuyển ộng của dòng khí. Nhiệt ộ của nhiệt iện trở sẽ ở
trạng thái cân bằng và phụ thuộc vào tốc ộ luồng khí, ược xác ịnh theo biểu thức :
Q = η . S . ( T - Tmt ) = I2 . R
trong ó : η hệ số tỏa nhiệt
S diện tích truyền nhiệt
T nhiệt ộ của dây dẫn iện trở
Tmt nhiệt ộ môi trường
I dòng iện chạy trong nhiệt kế iện trở.
Việc thiết kế chuyển ổi này rất khó vì có nhiều yếu tố chưa biết, vì vậy thông thường
ộ nhạy của chuyển ổi thường khắc ộ và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm.
Kích thước của dây nhiệt iện trở cũng ảnh hưởng rất lớn ến ặc tính ộng của chuyển
ổi. Vì thế mà ường kính dây của chuyển ổi không quá 20 ÷ 30 μm và khi o tốc ộ lớn
ường kính giảm xuống còn 3 ÷ 5 μm, chiều dài dây không quá 3 ÷ 5 mm. Vật liệu
chế tạo dây là platin - vonfram và hợp kim platin - iridi.
Để tăng cường sức bền của chuyển ổi ặc biệt lúc o tốc ộ nhanh ta dùng iện trở màng
mỏng (b). Cấu tạo nhiệt iện trở màng mỏng : trên giá bằng vật liệu cách iện chịu
nhiệt 1 ta gắn một lớp màng mỏng platin 2 có chiều dày 1 μm , chiều rộng 0,2 mm ,
chiều dài 1 mm và có hai ầu ra 3. Khi o màng ược ặt theo hướng véctơ v của tốc ộ dòng chảy. lOMoARcPSD| 38777299
Khi cần o tốc ộ truyền của dòng khí mà biến ộng ta mắc chuyển ổi ó vào một
nhánh của cầu tự ộng cân bằng có phản hồi (hình 14.8.c). Hoạt ộng của cầu như sau :
Khi lưu tốc khí bằng 0, cầu ở trạng thái cân bằng. Lúc dòng khí chuyển ộng, nhiệt
năng sinh ra trong nhiệt iện trở tỏa nhiệt làm giảm nhiệt ộ của chuyển ổi và làm cầu
mất cân bằng. Điện áp mất cân bằng ∆U ược ưa vào bộ khuếch ại. Đầu ra bộ khuếch
ại ược ưa phản hồi về dầu cung cấp cho cầu làm tăng dòng iện trong nhiệt iện trở,
kéo theo tăng nhiệt ộ của nhiệt iện trở Rt lên cho ến khi cầu trở lại cân bằng (với iều
kiện hệ số khuếch ại ủ lớn). Dòng iện I trong miliampe kế sẽ tỷ lệ với lưu tốc của dòng khí cần xác ịnh.
Bằng cách phản hồi như vậy làm quán tính nhiệt giảm xuống vài chục lần và
như vậy thiết bị có thể o tốc ộ biến thiên có tần số 100 kHz (tốc kế nhiệt không có
phản hồi chỉ dùng ược với dải tần không lớn hơn 5 ÷ 10 kHz).
12.5.- Đo lưu lượng với cảm biến lưu lượng iện từ.
Cảm biến lưu lượng iện từ hoạt ộng dựa vào ịnh luật iện từ Faraday và ược
dùng ể o dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn iện.
+ Nguyên lý làm việc của lưu lượng kế kiểu iện từ :
Hình 12.16.- Nguyên lý o lưu lượng bằng hiệu ứng cảm ứng iện từ.
Hãy xem xét một dòng nước chảy thông qua một ường ống, với một từ trường
vuông góc xuyên qua ường ống (hình 12.16). Hướng của dòng chảy chất lỏng cắt
vuông góc với từ thông, tạo ra một iện áp cảm ứng dọc theo một trục vuông góc với
cả hai. Hai iện cực ược ặt ối diện nhau trong thành ống sẽ lấy ra iện áp cảm ứng và
nó sẽ ược ọc bởi một mạch o iện áp. Điện áp gây ra bởi chuyển ộng thẳng của vật
dẫn i qua một từ trường ( ược gọi là chuyển ộng EMf). Chuyển ộng thẳng của vật
dẫn ở ây không phải là chuyển ộng của một oạn dây mà là chuyển ộng dòng chảy
của chất lỏng dẫn iện có chứa các ion mang iện tích.
Giả sử hướng của vận tốc dòng chảy vuông góc với dòng từ thông và cả hai
vuông góc với trục của iện áp cảm ứng ược sinh ra bởi chuyển ộng thẳng của dòng
chảy của chất lỏng thì ộ lớn của iện áp cảm ứng ược xác ịnh bằng công thức : lOMoARcPSD| 38777299 E = B . l . v (1) trong
ó : E - iện áp cảm ứng (V).
B - mật ộ từ thông ( ộ lớn của từ trường) (Tesla).
l - chiều dài của vật dẫn chạy qua từ trường (m).
v - vận tốc vật dẫn (chính là vận tốc của dòng chảy chất lỏng) (m/s).
Giả sử cường ộ từ trường là cố ịnh (B không ổi) và khoảng cách giữa các iện
cực bằng với ường kính của ường ống (l = d không ổi). Biến có khả năng ảnh hưởng
ến ộ lớn của iện áp cảm ứng chỉ có thể là vận tốc (v) trung bình của dòng chảy của chất lỏng.
Như vậy thấy rằng iện áp cảm ứng sẽ tỷ lệ với vận tốc trung bình của dòng
chảy và nó cũng sẽ tỷ lệ với lưu lượng vì lưu lượng cũng tỷ lệ với vận tốc trung bình
của dòng chảy. Do ó chúng ta có một lưu lượng kế dựa vào hiện tượng cảm ứng iện
từ - gọi là lưu lượng kế iện từ.
Mối quan hệ giữa iện áp cảm ứng (E) và lưu lượng (Q) như sau :
. Lưu lượng (Q) ược xác ịnh : Q = F . v → Q = v (2) F Q B d Q. .
. Thay (2) vào (1) có : E = B . d . v = B . d . = (3) F F 2
Mà ta lại biết : F = .d (4) 4 Thay (4) vào (3) ta có : B d Q. . 4. .B Q E. . d E = 2 = Q = (5) .d .d 4.B 4
Công thức (5) chỉ dùng ể tính lưu lượng trong iều kiện lý tưởng. Để bù ắp
những khiếm khuyết trong thực tế sẽ thêm một hằng số tỷ lệ k, tức là : k. . . d E Q = (6) 4.B
trong ó : Q - lưu lượng dòng chảy (m3/s)
E - iện áp cảm ứng (V) B -
cường ộ từ trường (Tesla) d -
ường kính ường ống (m). lOMoARcPSD| 38777299
Như vậy, iện áp cảm ứng trên các iện cực o ược tỷ lệ trực tiếp với vận tốc
trung bình trong ường ống, là thước o của lưu lượng chất lỏng ược tính bằng thể tích trên ơn vị thời gian.
+ Trong phương trình (5) không có thành phần ộ dẫn iện σ. Nó không óng vai
trò nào cho trị số iện áp cảm ứng E, tuy nhiên nó lại xác ịnh trị số iện trở trong Rq
của nguồn iện. Đó là iện trở của cột chất lỏng giữa hai iện cực. Với d là ường kính
của ống dẫn lưu chất, a là diện tích của iện cực thì ta có : 1 d Rq = . a
Như vậy, thiết bị o lưu lượng dựa vào hiện tượng cảm ứng iện từ là một nguồn
iện có iện trở trong rất lớn. Để o ược iện áp cảm ứng ta cần một mạch khuếch ại có
iện trở vào cũng khá lớn. a) b) lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.17.- Cách tạo từ trường vuông góc xuyên qua ường ống.
+ Đo lưu lượng bằng cảm biến cảm ứng iện từ (hình 12.16) có sự phân cực
khi một iện áp cảm ứng ược ặt vào chất lỏng có chứa các ion mang iện tích. Khi ó
các phần tử mang iện tích có xu hướng tiến lại iện cực có iện tích trái dấu với iện
tích của nó, trong trường hợp này ó là các iện cực dùng o lưu lượng. Sự phân cực
này sẽ ảnh hưởng ến sự phát hiện iện áp cảm ứng nếu lưu lượng kế iện từ sử dụng
một từ thông liên tục không ổi từ nam châm vĩnh cửu. Giải pháp khắc phục là tạo ra
sự thay ổi luân phiên cực tính của từ trường, như vậy iện áp cảm ứng thu ược giữa
hai iện cực cũng liên tục thay ổi làm cho các ion mang iện tích không có ủ thời gian
ể phân cực. Trong thực tế, lưu lượng kế kiểu iện từ luôn dùng cuộn dây iện từ ể tạo
ra từ trường (B) ủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 12.17) mà không
dùng nam châm vĩnh cửu. Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể ược kích hoạt bằng
nguồn AC hoặc DC. Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ ược 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 ó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu o. Hơn nữa, sự trôi
lệch iểm “không” thường là vấn ề lớn ối với hệ o ược cấp nguồn AC và không thể
căn chỉnh ược. Bởi vậy, phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây
từ trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao (hình 12.18). Nó giúp giảm dòng tiêu
thụ và giảm nhẹ các vấn ề bất lợi gặp phải với nguồn AC. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.18.- Kích hoạt cuộn dây tạo ra từ trường B bằng nguồn xung DC.
+ Nối ất cho lưu lượng kế kiểu iện từ : a) b)
Hình 12.19.- Nối ất cho lưu lượng kế iện từ.
Điện áp cảm ứng ược tạo ra bởi dòng chảy là rất nhỏ (cỡ mV) và có thể bị ảnh
hưởng bởi nhiễu iện áp như là dòng iện rò trong ường ống hay chất lỏng. Để chống
lại iều này, lưu lượng kế iện từ ược trang bị dây dẫn nối ất có tác dụng loại bỏ dòng
iện rò trong ường ống ể iện áp cảm ứng chỉ ược tạo ra bởi dòng dịch chuyển chất
lỏng và không có bất kỳ một sụt áp nào ược tạo ra bởi dòng iện rò i qua kháng của chất lỏng.
Các cách nối ất cho lưu lượng kế iện từ (hình 12.19) :
+ Cách lắp ặt lưu lượng kế kiểu iện từ :
Hình 12.20.- Các khoảng cách hợp lý khi lắp ặt lưu lượng kế iện từ. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.21.- Vị trí lắp ặt hợp lý của lưu lượng kế iện từ.
12.6.- Đo lưu lượng thông qua lực Coriolis.
Nguyên tắc : Lực Coriolis là lực quán tính.
Chúng ta quan sát một ĩa quay với vận tốc quay ω. Một người ứng bên trên ĩa
quay này và ném một vật theo hướng từ tâm ra bên ngoài. Vật này không dịch chuyển
theo ường thẳng mà bị lệch i về hướng ngược với hướng quay. Điều này có thể giải
thích là do sự tác dụng của lực Coriolis F : F = m . v . ω (*)
trong ó : m - Khối lượng dịch chuyển trên một ơn vị thời gian (trọng khối).
v - Vận tốc thẳng (xuyên tâm) trong một hệ quay hoặc giao ộng. ω - Vận tốc quay.
Lực này tỷ lệ với trọng khối m, vận tốc v của vật ném và vận tốc quay ω của ĩa. lOMoARcPSD| 38777299
Lực Coriolis có hướng thẳng góc với trục quay của hệ thống quy chiếu và
thẳng góc với hướng dịch chuyển của vật. Lực F phát sinh không chỉ với một vận
tốc góc không ổi. Phương trình (*) úng với các hệ quy chiếu có sự dao ộng và với vận tốc góc thay ổi.
Ứng dụng : Trong kỹ thuật, lực Coriolis ược ứng dụng ể o lưu khối tức lưu
lượng khối lượng của một lưu chất. Lưu chất chảy trong một ống mền cong (hình
12.22.a). Ống này ược rung lên bởi một nam châm iện chung quanh trục 1 - 1 với
tần số riêng khoảng 80 ến 1000 xung/s. Theo ó khi dòng lưu chất i qua một ống hình
chữ U thì nó sẽ có xu hướng làm xoắn ống. Khi chưa có lưu chất i qua, ống chữ U
nầy sẽ rung với tần số và biên ộ ã biết trước (hình 12.22.b). Khi lưu chất i 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 ộng của ống ã nói ở trên không còn giống như khi ống rỗng mà
sẽ lệch i một góc tương ứng.
Để o lưu lượng của lưu chất qua ống, người ta o sự lệch pha của dao ộng nói
trên. Lưu lượng càng lớn thì ộ lệch pha càng cao. a) b) Hình 12.22.-
Như vậy chất lỏng chuyển ộng theo hướng nằm ngang ược gia tốc với lực
Coriolis theo hướng thẳng ứng. Với bán kính của ường cong r của ống ta có môment Mc với trục 2 - 2 : Mc = r . F
Do ường vào và ra của lưu chất có chiều ngược nhau (hình 12.23.a), nên khi
dao ộng lắc sẽ làm xuất hiện moment lúc âm lúc dương nên làm ống bị xoắn một
góc α cho tới khi môment Mc cân bằng với lực àn hồi của ống biểu thị bởi hệ số C : lOMoARcPSD| 38777299 a) b) c) Hình 12.23.-
Từ ó có thể tính ra góc xoắn α : M α = C =
r F. = r v. . .m (**) C C C
Gọi thời gian ể lưu chất qua ống là τ , chiều ống là l , thì vận tốc dòng chảy v ược xác ịnh : l v =
Thay v vào công thức (**) ta có : l
α = r v. . .m = r. . .m = r l. . . m C C C
Đặt r l. . = k và m = G chính là lưu lượng khối lượng. C
Như vậy, góc xoắn α tỷ lệ với lưu lượng khối lượng : lOMoARcPSD| 38777299 α = k . G
Để xác ịnh lưu lượng khối lượng, α ược o trực tiếp, hằng số tỷ lệ k có chứa
hằng số àn hồi C , kích thước ống và vận tốc góc quay ω.
Tín hiệu o có sự tuyến tính ối với lưu lượng khối lượng. Sai số phép o ược
tính trên từng trị số o, có sai số rất thấp (nhỏ hơn 0,2 %).
Phương pháp o lưu chất có ưu iểm là chính xác với lưu khối, có thể khắc phục
nhược iểm o lưu lượng thể tích phụ thuộc vào nhiệt ộ. Ví dụ : chất ốt ược ịnh giá
theo từng lít là không chính xác, chính xác hơn là phải tính theo kg. Nhiên liệu lỏng
khi nóng thể tích sẽ tăng lên rất nhiều, nhiệt trị theo kg không thay ổi (dầu lửa tỷ
trọng ở 10 oC là 0,823 ; ở 40 oC là 0,802. Khi o bằng lưu lượng thể tích sẽ gập sai
số lớn. Khi o bằng lưu khối kế kiểu ống lắc Coriolis sẽ chính xác. Việc bán hàng
không thể lừa dối ược).
Bộ phận chuyển ổi o lưu lượng khối lượng thông qua lực Coriolis gọi là cảm
biến lưu lượng Coriolis. Đây là nhóm cảm biến o lưu lượng khá phổ biến. Chúng
thực hiện o trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ống dẫn. Sự
lắp ặt có thể thực hiện bởi ống thẳng ơn, hay ống ôi có oạn cong (hình 12.24).
Hình 12.24.- Cảm biến lưu lượng Coriolis ống ôi dạng cong Delta.
Cấu trúc của ống thẳng ơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắp ặt và bảo trì - bảo dưỡng
nhưng thiết bị o loại này rất nhạy cảm với nhiễu và tác ộng bên ngoài.
Cấu trúc của ống ôi cong cho phép loại bỏ ược nhiễu tác ộng vào kết quả o vì
hai ống dẫn dòng chảy dao ộng ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu ược nhiễu.
Đối với cảm biến o lưu lượng Coriolis ống ôi, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua
ược cho dao ộng ở tần số cộng hưởng ặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài. Khi
chất lỏng bắt ầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis. Dao ộng
rung của các ống dẫn cùng với chuyển ộng thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng
xoắn trên các ống dẫn này. Hiện tượng xoắn này là do tác ộng của lực Coriolis ở
hướng ối nghịch với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy
trong ống dẫn ến phương chuyển ộng thẳng ứng. Các sensor iện cực ặt cả phía dòng
chảy vào (Inlet pickoff) và phía dòng chảy ra trên thành ống ể xác ịnh 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) ược dùng ể xác ịnh trực tiếp lưu tốc khối lượng lOMoARcPSD| 38777299
dòng chảy qua ống. Hình 12.25 minh họa hoạt ộng của cảm biến lưu lượng Coriolis
khi chất lỏng ứng yên (No flow) và chất lỏng chuyển ộng (Flow).
Hình 12.25.- Hoạt ộng của Cảm biến lưu lượng Coriolis.
Hãy xem thêm trên hình 12.26 : Khi có một dòng chất lỏng chảy qua một lưu
lượng kế Coriolit, nó sẽ ược dẫn qua 2 ống song song, 2 ống này ược một thiết bị
truyền ộng tạo ra rung ộng ngược pha,. Tần số rung ộng nằm trong giải từ 80 ến
1000 xung/s. Nếu có lưu lượng chất lỏng chảy qua, lực Coriolis sẽ hình thành tại 2
ống là nguyên nhân tạo nên sự dịch pha trong ống dao ộng.
. Khi không có lưu lượng (không có lưu lượng, hoặc chất lỏng ứng yên), hai
ống dao ộng như hình (12.26.1)
. Khối lượng của dòng chất lỏng sẽ làm chậm pha dao ộng tại ầu vào và nhanh
pha dao ộng ở ầu ra thân cảm biến.
Sự lệch pha giữa 2 iểm A, B sẽ tăng lên nếu dòng khối lượng chất lỏng tăng
thêm, cảm biến iện ộng sẽ ghi lại sự lệch pha ó, và nhờ thế ta có thể xác ịnh ược
khối lượng chất lỏng i qua cảm biến trên một ơn vị thời gian. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 12.26.- Lưu lượng kế Coriolit kiểu hai ống song song.
Để tính ược thể tích của chất lỏng qua cảm biến trên một ơn vị thời gian, ngoài
khối lượng ta phải tính toán ược khối lượng riêng của chất lỏng (density) nữa.
Các ống o ược liên tục kích thích tại tần số cộng hưởng. Sử thay ổi của khối
lượng riêng dẫn ến sự tự ộng iều chỉnh tần số áp ứng của cảm biến ể ạt ến cộng
hưởng. Bộ vi xử lý dựa vào tần số cộng hưởng này tính toán ược khối lượng riêng
của chất lỏng chảy qua thâm cảm biến.
Phương pháp o này ổn ịnh, chính xác cao không bị phụ thuộc vào nhiệt ộ, áp
suất, ộ nhớt hay ộ dẫn iện của chất lỏng hay môi trường.
Cảm biến lưu lượng Coriolis có ặc tính sau : -
Đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt ộ, áp suất,
hình dạng dòng chảy ến phép o; - Độ chính xác cao; -
Cảm biến o cho phép mô phỏng quá trình o lưu lượng và tỷ trọng bởi
vì tần số dao ộng cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua ống; -
Đo lưu lượng tất cả các loại khí và chất lỏng. Không o ược lưu lượng
chất lỏng dạng ặc 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 ặc biệt này làm giảm sự dao ộng của
ống dẫn, gây ra sai số phép o.
12.7.- Đo lưu lượng với cảm biến lưu lượng siêu âm.
Khi truyền năng lượng sóng siêu âm vào trong môi trường, tần số của siêu âm
cao hơn tần số mà thính giác của con người có thể cảm nhận ược. Trong kỹ thuật,
tần số hữu ích của siêu âm trải dài từ 20 kHz ến 10 MHz. Tần số, ộ dài sóng và vận
tốc truyền sóng ược liên kết với nhau theo biểu thức : Co = f . λ
Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào ặc tính của môi trường và ặc biệt vào nhiệt ộ của môi trường. lOMoARcPSD| 38777299
Khi sử dụng sóng âm ể xác ịnh vận tốc của một chất lỏng chảy trong ường
ống sẽ có các trường hợp sau :
. Khi không có dòng chảy, các tần số của sóng âm truyền vào một ường ống
và sóng phản xạ của nó từ chất lỏng ều giống nhau.
. Trong iều kiện có dòng chảy, tần số của sóng phát và tần số của sóng phản
xạ khác nhau do hiệu ứng Doppler. Khi chất lỏng di chuyển nhanh hơn, sự thay ổi
tần số tăng một cách tuyến tính.
Bộ phát tín hiệu (bộ phát sóng) xử lý tín hiệu sóng tới và sóng phản xạ ể xác
ịnh vận tốc dòng chảy.
Lưu lượng kế sử dụng sóng âm ể xác ịnh vận tốc của một chất lỏng chảy trong
ường ống gọi là “Lưu lượng kế siêu âm”.
Sử dụng Lưu lượng kế siêu âm thường có các phương pháp o :
- Đo ộ chênh lệch tần số siêu âm, gọi là Doppler frequency shift.
- Đo ộ chênh lệch thời gian - Difference in transit times.
+ Từ các phương pháp o có thể xác ịnh vận tốc dòng chảy khi sử dụng sóng siêu âm, gồm :
- Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng :
Trên hình 12.27 trình bày một cấu trúc dùng o lưu lượng : các cảm biến siêu
âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn có lưu chất dịch chuyển với một
vận tốc v. Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến 2 thu sóng, vận tốc truyền sóng ược
gia tăng thêm thành phần v.cosα .
Hình 12.27.- Cấu trúc ống o lưu lượng bằng siêu âm.
Với phương pháp o sóng siêu âm ta ược vận tốc v của dòng chảy và sau khi
nhân v với diện tích mặt cắt ngang của ống, ta thu ược lưu lượng tính bằng thể tích.
Nếu gọi t1 là thời gian truyền sóng từ 1 ến 2 và t2 là thời gian sóng phản xạ từ
2 ến 1 thì ta có ược vận tốc dòng chảy v ược tính : lOMoARcPSD| 38777299 t t v = L . 2 1 2.cos t t1 2.
Để o ược thời gian truyền sóng một cách chính xác thì các cảm biến siêu âm
phải hoạt ộng nhanh. Các cảm biến này phải phát ược các sóng có sườn dốc thẳng
ứng. Cả hai cảm biến ối diện nhau phát cùng một lúc sóng siêu âm. Cả hai hoạt ộng
ầu tiên như nguồn phát và sau ó hoạt ộng như hai cảm biến thu sóng siêu âm của
nhau. Vận tốc dòng chảy ược xác ịnh rất nhanh chóng với phương pháp này.
- Phương pháp hiệu số tần số :
Các cảm biến vẫn ược ặt như hình 12.27, tuy nhiên chúng ược vận hành khác
i. Cảm biến 1 gửi một xung cho cảm biến 2. Cảm biến 2 trả lời bằng một xung cho
cảm biến 1 và làm cho cảm biến 1 phát i một xung. Tần số f1 của cảm biến biến 1
và tần số f2 của cảm biến 2 ược o lần lượt : C f o v.cos 1 = 1 = t1 L C f o v.cos 2 = 1 = t2 L Tính hiệu số : f1 - f2 = 2. .cosv L
Vận tốc dòng chảy v ược xác ịnh : v = L.(f1 – f2) 2.cos
Qua ó thấy vận tốc dòng chảy v ộc lập với vận tốc truyền sóng Co là do : t t . 2
1 = 1 - 1 = f1 - f2 t t1 2 t1 t2
nên ta có cùng kết quả như ở phương pháp trên.
Phương pháp o này mất thời gian hơn do tần số ược o từ một chuỗi xung.
Ngoài ra do sự phản hồi sóng siêu âm từ các bọt nước, vật rắn trong chất lỏng
… nên phép o này bị nhiễu nhiều hơn so với phép o hiệu số thời gian.
- Phương pháp hiệu chỉnh ộ dài sóng (hiệu chỉnh pha) : lOMoARcPSD| 38777299
Từ mối quan hệ giữa vận tốc truyền sóng Co với tần số f và ộ dài sóng λ (bước
sóng) ược biểu diễn bởi phương trình : Co = f . λ , ta nhận thấy khi vận tốc truyền
sóng thay ổi, giữ tần số không ổi thì ộ dài sóng phải thay ổi.
Nếu chọn tần số fo sao cho với vận tốc dòng chảy v = 0 thì khoảng cách giữa
hai cảm biến bằng n.λo . Khi vận tốc dòng chảy khác 0 ta có C1 = Co + v.cosα và
C2 = Co – v.cosα và với tần số không thay ổi thì sẽ có ộ dài song là : C C λ 1 2 1 = ; λ2 = f o f o
Với phương pháp hiệu chỉnh pha thì tần số siêu âm ược thay ổi sao cho dù với
vận tốc dòng chảy nào ta luôn có n.λo là khoảng cách L giữa hai cảm biến. Độ dài
sóng λo ược giữ cố ịnh, do ó với hai hướng truyền sóng khác nhau có : C C f 1 2 1 = ; f2 = lo lo
Từ hiệu số : f1 - f2 = 1 [(Co + v.cosα) - (Co – v.cosα)] = 2. .cosv lo lo
Suy ra : vận tốc dòng chảy v ộc lập với vận tốc truyền sóng siêu âm Co : l V = o .(f1 – f2) 2.cos
Phương pháp này cho kết quả chính xác nhất trong ba phương án o lưu lượng bằng sóng siêu âm.
+ Thiết bị Lưu lượng kế siêu âm thường có :
- Thiết bị o ộ chênh lệch tần số siêu âm - Doppler frequency shift (hay
còn gọi là phương pháp Doppler).
(Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, ặt tên theo Christian Andreas
Doppler, trong ó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng iện từ hay các sóng nói
chung bị thay ổi khi mà nguồn phát sóng chuyển ộng tương ối với người quan sát).
Thiết bị o lưu lượng theo nguyên lý này dựa trên sự thay ổi của tần số siêu
âm. Trong ó tần số truyền i bị thay ổi 1 cách tuyến tính do gặp phải sự phản xạ từ
các phần tử hay các bong bóng khí của lưu chất. Kết quả là có sự chênh lệch tần số
giữa 2 thiết bị thu và phát tần số siêu âm, và sự thay ổi này có liên quan trực tiếp tới
vận tốc của dòng chảy. Nếu biết ược ường kính trong của ống, ta có thể tính ược lưu lOMoARcPSD| 38777299
lượng thể tích. Phương pháp này yêu cầu cần phải có 1 số phần tử rắn hoặc thể khí
trong lưu chất ể có thể ạt ược phép o chính xác.
Cảm biến lưu lượng kế siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler ược thể hiện trên hình 12.28.
Hình 12.28.- Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa trên 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 ến bộ thu với một tần số f . Sai lêch giữa r
tần số phát ra fo và tần số thu về fr của sóng cao tần ược dùng ể o 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 ược với các chất lỏng một pha, tinh khiết.
Lưu lượng thể tích ược xác ịnh theo biểu thức : Q = K . F(f1,f2)
trong ó : 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. lOMoARcPSD| 38777299
+ Thiết bị o ộ chênh lệch thời gian - Difference in transit times.
Nguyên lý này ược thực hiện bằng cách gửi 1 chùm tín hiệu xuyên qua 1 cái
ống. Lưu lượng ược o dựa trên nguyên tắc sóng âm i theo hướng dòng chảy cần ít
thời gian hơn so với sóng âm i theo hướng ngược lại. Nếu vận tốc bằng 0 thì ộ chênh
lệch thời gian là delta T = 0. Nếu ta biết ược các thông số về ường kính ống, vật liệu
và chiều dày của thành ống, góc khúc xạ thì ta có thể tính ược vậntốc của dòng chảy,
rồi từ ó tính ược lưu lượng thể tích.
Cảm biến lưu lượng kế siêu âm dựa vào o ộ chênh lệch thời gian ược thể hiện trên hình 12.29.
Từ hình 12.29.a ta thấy thiết bị gồm :
. A, B là hai bộ chuyển ổi sóng siêu âm. . R là vật phản xạ.
. L là khoảng cách giữa hai bộ chuyển ổi sóng siêu âm.
. VM là vận tốc của dòng chảy. t
. AB là tỷ số giữa thời gian và vận tốc truyền sóng âm từ A ến B. V AB t
. BA là tỷ số giữa thời gian và vận tốc truyền sóng âm từ B ến A. V BA a) b) lOMoARcPSD| 38777299 c)
Hình 12.29.- Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa trên việc o ộ chênh lệch thời gian.
Tốc ộ truyền âm thanh v của sóng siêu âm trong một môi trường phụ thuộc
vào vận tốc âm thanh CM trong môi trường ó và vận tốc dòng chảy VM (hiệu ứng
mang – ược Siemens ứng dụng trong lưu lượng kế siêu âm), nên : VAB = CM + VM VBA = CM - VM
Hai bộ chuyển ổi sóng siêu âm sẽ lần lượt gửi cho nhau những tín hiệu sóng
siêu âm và o ược hai ại lượng thời gian thực tAB và tBA qua lại giữa các tín hiệu này : L tAB = CM V M L tBA = CM V M
Nếu có dòng chảy vào thì thời gian qua lại giữa các tín hiệu sẽ nhanh hơn với
chiều xuôi và chậm hơn với chiều ngược dòng chảy. sự chênh lệch về thời gian này
chính là giá trị vận tốc của dòng chảy VM : t t V AB BA) M = L.( 2.t . AB tBA lOMoARcPSD| 38777299
Kết quả này không phụ thuộc vào tốc ộ âm thanh trong môi trường và do ó
không phụ thuộc vào môi trường o.
+ Thiết bi cảm biến sóng siêu âm xuyên thẳng (transit-time) (hình 12.30).
Cảm biến loại này có thể cho phép o lưu lượng ối với chất lỏng/khí rất sạch (không lẫn tạp chất).
Hình 12.30.- Cảm biến lưu lượng sóng âm xuyên thẳng.
Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bị biến ổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên
thành ống dẫn dòng chảy, ồng thời làm với trục của dòng chảy một góc xác ịnh
trước. Mỗi thiết bị biến ổi 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 ịnh vận tốc dòng chảy. Sự sai lệch thời gian này vô cùng nhỏ (nano-giây), do
ó cần phải dùng thiết bị iện từ, iện tử có ộ chính xác cao ể thực hiện phép o, hoặc
tiến hành o trực tiếp thời gian này.
Lưu lượng thể tích ược xác ịnh theo biểu thức : Q = K . (t t 1 2) (t t1 2.)
trong ó : 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 ường âm thanh, tỉ số giữa trục và
ường tâm, hình dạng dòng chảy, mặt cắt ngang.
Lưu lượng kế siêu âm (kiểu thời gian) việc phát và thu sóng âm giữa các bộ
cảm biến ược thực hiện trong cả hai hướng thượng nguồn và hạ nguồn trong ường
ống. Khi không có dòng chảy trong ống, mất cùng một khoảng thời gian ể sóng âm
di chuyển giữa hai thành ống. Trong iều kiện có dòng chảy, sóng âm thượng nguồn
( i ngược hướng dòng chảy) sẽ i chậm hơn và mất nhiều thời gian hơn so với sóng lOMoARcPSD| 38777299
hạ nguồn ( i cùng chiều với dòng chảy). Khi chất lỏng di chuyển nhanh hơn, sự khác
biệt về thời sẽ thay ổi tỉ lệ với vận tốc của dòng chảy. Từ ó, bộ cảm biến sẽ tính toán
lưu lượng dựa trên vận tốc và diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn.
Lưu lượng kế sóng âm kiểu thời gian thường chính xác hơn so với Lưu lượng
kế kiểu Dopler nhưng lưu lượng kế kiểu Dopler thường thì kinh tế hơn.
Khi lựa chọn sử dụng loại lưu lượng kế siêu âm nào thì phải căn cứ vào tài
liệu kỹ thuật, tài liệu hướng dẫn lắp ặt của loại thiết bị ó ể có ược vị trí, khoảng cách
hợp lý giữa lưu lượng kế với các thiết bị lắp trên cùng ường ống, phạm vị sử dụng …
Khi lắp ặt cảm biến siêu âm, cần lưu ý ến các iểm sau :
- Cảm biến lưu lượng dựa vào hiệu ứng Doppler không ắt;
- Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng áp dụng cho kỹ thuật o chất lỏng
không dẫn iện và ăn mòn (o lưu lượng nước hoặc khí);
- Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp ặt gá, kẹp vào ường ống hiện tại, cho
phép không cần cắt bỏ hoặc phá hủy một phần ường ống, loại bỏ ến tổi thiểu sự
tác ộng con người ến chất lỏng ộc hại và giảm sự bụi bẩn cho hệ thống, o ược
lưu lượng kênh hở (Open Flow). Kinh tế cho các ường ống lớn;
- Không có thành phần lắp ặt trong ống, không làm giảm áp lực;
- Điểm nổi bật của cảm biến siêu âm là kết quả phép o ộc lập với hình dạng dòng chảy;
- Giá thành ắt và dòng chảy cần ược iền ầy ống.