Quá trình đo lưu lượng các chất trong công nghiệp

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.

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 đo lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt động của chúng: Cảm biến đo 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 đo 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 đo 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

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 đo 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.