Cảm biến đo lưu lượng khí ga dựa trên công nghệ nhiệt

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

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 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 thành 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

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(KCp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, -tỷ trọng 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)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.
 

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

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.

Nguồn: Tạp chí Tự động hóa ngày nay