CÁC CẢM BIẾN (202702) ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG GVHD: TS.Trần Hải Nam SVTH: LỚP: VP K17 – CDT 10/2021 Mục lục Mục lục1 Danh sách hình ảnh3 Chương 1: Tổng quan5 1.1.Cơ bản về động lực học lưu chất5 1.2.Đặc trưng của lưu chất7 1.3.Trạng thái dòng chảy9 1.4.Mối quan hệ giữa vận tốc và lưu lượng9 1.5.Cảm biến lưu lượng nước SEA YF-S201 DN1510 1.5.1Giới thiệu10 1.5.2Cấu tạo và nguyên lý hoạt động12 Chương 2: Nguyên lý vật lý của các loại cảm biến lưu lượng15 2.1.Đo lưu lượng thể tích15 2.1.1Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp15 2.1.2Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine27 2.1.3Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ29 2.1.4Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex32 2.1.5Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ Positive Displacement35 2.1.6Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm39 2.2.Đo lưu lượng khối lượng42 2.2.1Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt42 2.2.2Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis52 Chương 3: Vật liệu và công nghệ chế tạo56 3.1.Vật liệu56 3.1.1Silicon56 3.1.2Ceramic58 3.2.Công nghệ chế tạo58 3.2.1Quang khắc (Photolithography)59 3.2.2Vi gia công silicon (Silicon Micromachining)61 Chương 4: Hàm truyền của cảm biến lưu lượng nước66 4.1.Mô hình toán học66 4.2.Hàm truyền cảm biến tìm từ thực nghiệm67 4.3.Hàm truyền cảm biến tìm từ mạch điện70 Chương 5: Sơ đồ mạch điện của cảm biến72 5.1.Cấu tạo mạch điện của cảm biến lưu lượng72 5.2.Mạch điện tử ứng dụng cảm biến lưu lượng YF-S20174 Chương 6: Xử lí số liệu81 Kết luận82 Tài liệu tham khảo83
Tổng quan
Cơ bản về động lực học lưu chất
Một trong những nguyên tắc cơ bản của vật lý là khối lượng là một đại lượng bảo toàn.
Năng lượng không thể được tạo ra hay phá hủy, nhưng khi có dòng chảy qua các ranh giới, tổng dòng chảy vào và ra phải bằng không Khi khối lượng vào hệ thống (Min) bằng khối lượng ra (Mout) trong cùng một khoảng thời gian, ta có: dM in.
Trong kỹ thuật cơ khí, việc đo lường lưu lượng của các chất như nước, dầu, dung môi, xăng, không khí và các khí như oxy, nitơ, CO, CO2, metan và hơi nước là rất quan trọng "Tốc độ dòng chảy" đề cập đến vận tốc chuyển động của một thể tích nhỏ trong chất lỏng Trong dòng chảy ổn định, vận tốc tại một điểm nhất định là không đổi theo thời gian, và sự phân bố dòng không phụ thuộc vào thời gian Vectơ vận tốc tiếp tuyến với đường thẳng tại mọi điểm trong dòng chảy Ranh giới của dòng chảy bao quanh bởi một chùm dòng được gọi là ống dòng chảy, nơi không chất lỏng nào có thể vượt qua ranh giới này Dòng chảy có thể vào ống qua mặt cắt A1 và thoát ra qua mặt cắt A2, với vận tốc của chất chuyển động có thể khác nhau tại các điểm khác nhau dọc theo ống.
Hình 1- 1: a Ống dòng chảy và b Dòng chảy qua mặt cắt
Lưu lượng đi qua một mặt phẳng nhất định (Hình 1 -1b) trong một khoảng thời gian xác định Δt là:
Vận tốc của khối chất lỏng tại mặt cắt dA được ký hiệu là v, trong khi Δx biểu thị độ dịch chuyển của thể tích V Hình 1-2 minh họa sự thay đổi vận tốc của chất lỏng hoặc khí trong ống trên mặt cắt ngang.
Hình 1- 2: Biên dạng vận tốc dòng chảy trong ống
Thường thuận tiện khi xác định vận tốc trung bình: v = ∫ vdA a A
Khi sử dụng cảm biến nhỏ để đo vận tốc trong ống, cần chú ý đến khả năng phát hiện sai số ở vận tốc tối thiểu và tối đa, trong khi vận tốc trung bình nằm ở giữa Thông lượng, hay lưu lượng dòng chảy, được tính bằng tích của vận tốc trung bình và diện tích mặt cắt ngang, với đơn vị SI là m³/s.
Cảm biến lưu lượng đo vận tốc trung bình v, và để tính toán tốc độ dòng chảy, cần xác định diện tích mặt cắt ngang của ống dòng A.
Mối quan hệ giữa khối lượng và thể tích đối với vật liệu không nén được là thông qua khối lượng riêng ρ Nghĩa là M = ρV
Lưu lượng chất chảy qua ống dẫn là một tham số quan trọng trong quá trình công nghệ, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động Để nâng cao hiệu quả này, việc đo chính xác thể tích và lưu lượng các chất là cần thiết Mỗi môi trường đo có những đặc điểm lý hóa và yêu cầu công nghệ riêng, dẫn đến sự đa dạng trong các phương pháp đo dựa trên nguyên lý khác nhau Số lượng vật chất được xác định bằng khối lượng và thể tích, tương ứng với các đơn vị đo như kg, tấn, m3 và lít, trong khi lưu lượng vật chất phản ánh số lượng chất chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian.
Lưu lượng khối lượng: G (kg/s; kg/giờ; tấn/giờ …).
Cần phải phân biệt sự khác nhau giữa lưu lượng tức thời và lưu lượng trung bình:
− Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian được xác định theo biểu thức:
∆m là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trong thời gian khảo
− Lưu lượng tức thời được xác định theo công thức:
Để đảm bảo kết quả đo của chất khí không bị ảnh hưởng bởi điều kiện áp suất và nhiệt độ, cần quy đổi về điều kiện chuẩn, cụ thể là nhiệt độ 20°C và áp suất 760 mm thủy ngân Công thức liên quan là Q = dV/dt hoặc G = dm/dt.
Đặc trưng của lưu chất
Mỗi lưu chất được đặc trưng bởi những yếu tố sau:
− Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 đơn vị thể tích lưu chất: ρ = m
Trong đó m là khối lượng của lưu chất, V là thể tích của khối lưu chất.
− Hệ số nhớt động lực và hệ số nhớt động học:
Tính nhớt là khả năng chống lại sự dịch chuyển của lưu chất, thể hiện sức dính phân tử và khả năng lưu động của chúng Đây là một đặc tính quan trọng vì nó gây ra tổn thất năng lượng khi lưu chất chuyển động, do sự chuyển động tương đối giữa các phân tử tạo ra ma sát, biến đổi một phần cơ năng thành nhiệt năng Tính nhớt được đặc trưng bởi tính nhớt động lực, và hệ số này phụ thuộc vào loại lưu chất cụ thể.
Để đo độ nhớt của chất lỏng, các phòng thí nghiệm thường sử dụng phương pháp đơn giản bằng cách thả một quả cầu vào chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực Qua việc đo khoảng cách (d) và thời gian (t) mà quả cầu rơi, ta có thể tính toán vận tốc (u) của nó, từ đó xác định giá trị độ nhớt.
Hệ số nhớt động lực được tính theo công thức: à = 2∆pgr³ / 9u, trong đó à là hệ số nhớt động lực (Pa.s), g là gia tốc trọng trường (9.81 m/s²), r là bán kính quả cầu (m), và u là vận tốc rơi của quả cầu (m/s) Để làm rõ mối quan hệ giữa tính nhớt và khối lượng riêng của lưu chất, người ta sử dụng hệ số nhớt động học, ký hiệu là ν = à / ρ.
Trong đó ν : hệ số nhớt động học (stoke) (1stoke = 10 4 m 2 / s
). à : hệ số nhớt động lực (Pa.s ). ρ : khối lượng riêng của lưu chất ( kg / m 3 ).
Trị số Reynolds (Re) là đại lượng quan trọng thể hiện đặc trưng của dòng chảy lưu chất trong ống dẫn, được hình thành từ sự kết hợp của các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy.
=ul và được tính theo công thức: à ν
Trong đó ρ : khối lượng riêng của chất lưu ( kg / m 3 ).
Trạng thái dòng chảy
Chảy u là vận tốc đặc trưng của dòng chảy, được đo bằng mét trên giây (m/s) Quy mô tuyến tính của dòng chảy, ký hiệu là l, được xác định bằng độ dài (m) Độ nhớt động lực học của môi trường, ký hiệu là à, được đo bằng Pascal giây (Pa.s), trong khi độ nhớt động học, ký hiệu là ν, được tính bằng đơn vị stoke.
Khi loại bỏ ảnh hưởng của độ nhớt và ma sát với thành ống dẫn, vận tốc dòng chảy sẽ đồng nhất ở mọi vị trí trên mặt cắt ngang của ống dẫn.
Hình 1- 3: Vận tốc dòng chảy (trường hợp lý tưởng)
Hình 1- 5: Vận tốc dòng chảy với Re
Hình 1- 4; Vận tốc dòng chảy với ảnh hưởng của tính nhớt và lực ma sát
Hình 1- 6: Vận tốc dòng chảy với Re
Trong thực tế, độ nhớt có tác động lớn đến tốc độ dòng chảy, đồng thời sự ma sát của ống dẫn cũng làm giảm vận tốc của lưu chất gần thành ống.
Khi trị số Reynold nhỏ (Re ≤ 2300), chất lỏng chuyển động theo dạng chảy tầng Trong trường hợp này, tất cả các chuyển động diễn ra dọc theo trục của ống dẫn, bị ảnh hưởng bởi tính nhớt và lực ma sát với thành ống Tốc độ lưu chất đạt giá trị lớn nhất tại vị trí trung tâm của ống dẫn.
Khi số Reynolds (Re) vượt quá 2.300, dòng chảy bắt đầu chuyển sang trạng thái hỗn loạn với sự xuất hiện ngày càng nhiều các dòng xoáy Đến khi Re đạt từ 10.000 trở lên, dòng chảy trở nên hoàn toàn hỗn loạn Các khí ở trạng thái bão hòa và hầu hết các chất lỏng thường được vận chuyển qua ống dẫn trong trạng thái chảy rối.
Mối quan hệ giữa vận tốc và lưu lượng
Nhiều dụng cụ đo lưu lượng đã được phát triển, làm cho việc đo lưu lượng trở thành một trong những chủ đề phức tạp nhất trong điều khiển quá trình Nguyên lý đo lưu lượng được trình bày chi tiết trong Chương 2 Cảm biến lưu lượng thường được sử dụng để xác định lưu lượng của vật liệu qua các ống có kích thước xác định Lưu lượng được định nghĩa là lượng chất lỏng, chất dạng vữa, khí hoặc chất rắn dạng bột đi qua trong một khoảng thời gian nhất định.
Máy đo lưu lượng có thể đo:
− Lưu lượng thể tích - là thể tích trên một đơn vị thời gian như gallons trên phút (gal/min, gpm) hoặc feet khối trên phút (ft3/min)
− Lưu lượng khối lượng - là khối lượng trên một đơn vị thời gian như pounds trên giây (lb/sec) hoặc pounds trên phút (lb/min)
− Vận tốc dòng chảy - là khoảng cách di chuyển của lưu chất trên một đơn vị thời gian như feet trên phút (ft/min)
Mối quan hệ cơ bản giữa lưu lượng và vận tốc là:
Lưu lượng thể tích = Vận tốc x diện tích tiết diện ngang của đường ống
Cảm biến lưu lượng nước SEA YF-S201 DN15
Cảm biến lưu lượng nước SEA YF-S201 DN15 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như lò sưởi điện, tủ lạnh, điều hòa không khí, động cơ ô tô, và các thiết bị sản xuất hóa chất Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị xử lý nước, máy nước nóng, nồi hơi treo tường, máy pha cà phê, máy bán nước, máy thẻ tín dụng, và hệ thống kiểm soát nước công nghiệp Sản phẩm này là giải pháp lý tưởng để đo lưu lượng chất lỏng trong các ứng dụng khác nhau.
Hình 1- 7: Cảm biến lưu lượng nước SEA YF S201 DN15
Chức năng 3 dây ngõ ra:
Trong đó F: tần số (Hz).
− Chịu áp lực đến: 1.75Mpa.
− Nhiệt độ hoạt động: < 120 độ C.
Hình 1- 8: Mối quan hệ giữa số vòng quay và lưu lượng của cảm biến
1.5.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến được cấu tạo đơn giản với các thành phần chính như van nhựa cho phép lưu chất đi qua, cảm biến hiệu ứng Hall, dây điện, bánh xe turbine và nam châm.
Hình 1- 9: Tất cả các bộ phận của cảm biến
Hình 1- 10: Các thành phần chính của cảm biến
Hình 1- 11: Bảng thành phần cấu tạo cảm biến và vật liệu tạo thành
Một turbine nước kết hợp với cảm biến hiệu ứng Hall giúp xác định hướng và đo lưu lượng nước Khi nước chảy qua van, nó làm quay turbine, cho phép quan sát sự thay đổi tốc độ của turbine Sự thay đổi này được cảm biến hiệu ứng Hall chuyển đổi thành tín hiệu xung, từ đó cho phép đo tốc độ dòng chảy một cách chính xác.
Hình 1- 12: Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Cảm biến lưu lượng nước hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng Hall, trong đó sự chênh lệch điện áp được tạo ra bởi sự quay của turbine khi dòng nước chảy qua Khi quạt quay do nước, turbine sẽ sinh ra điện áp cảm ứng, được đo bởi cảm biến hiệu ứng Hall Thiết bị này có thể sử dụng cho nhiều loại nước, bao gồm nước nóng, nước lạnh, nước ấm, nước sạch và nước bẩn Nguyên lý hoạt động của cảm biến này tương tự như các cảm biến lưu lượng dựa trên turbine, được trình bày chi tiết trong Chương 2.
Nguyên lý vật lý của các loại cảm biến lưu lượng
Đo lưu lượng thể tích
2.1.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp Để dùng cảm biến áp suất đo lưu lượng ,người ta đo sự chênh lệch áp suất (hiệu áp) giữa
Các lưu lượng kế đo dựa trên hiệu áp (differential pressure flowmeter) rất phổ biến, đặc biệt khi sử dụng cho các chất lỏng Thiết bị này bao gồm hai thành phần cơ bản và hoạt động trên nguyên tắc chênh lệch áp suất giữa hai vị trí ống có tiết diện dòng chảy khác nhau.
Thành phần đầu tiên là yếu tố quan trọng gây ra sự thay đổi trong năng lượng động học, từ đó ảnh hưởng đến áp suất trong ống Để đạt hiệu quả tối ưu, thành phần này cần được điều chỉnh phù hợp với kích thước ống, điều kiện dòng chảy và tính chất của lưu chất.
− Thành phần 2: Đo sự chênh lệch áp và tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành giá trị lưu lượng
2.1.1.1 Nguyên lý đo Đây là nguyên lý đo được sử dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp quá trình (process industry) Nguyên lý đo này dựa trên phương trình tính lưu lượng thểtích:
Với Q : lưu lượng thể tích.
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:
Để tính toán lưu lượng lưu chất từ chênh áp ∆P, người ta sử dụng một transmitter chênh áp với hai đầu vào áp suất: một đầu tại điểm áp suất cao nhất và một đầu tại điểm áp suất thấp nhất Để đảm bảo đo lưu lượng chính xác, việc lắp đặt điểm lấy áp suất cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến hướng dòng chảy, đường kính ống, cũng như vị trí và khoảng cách giữa hai điểm đo áp suất.
Hình 2- 13: Tiết diện ngang của một số dạng ống đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp
Hình 2- 14: Hình ảnh cảm biến lưu lượng sử dụng nguyên lý chênh áp
2.1.1.2 Các loại thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý chênh áp a) Ống venturi
Có thể đo lưu lượng lớn chất lỏng với áp lực giảm thấp bằng cách sử dụng ống có đầu vào nhỏ dần và một đoạn thẳng Khi chất lỏng đi qua phần nhỏ dần, vận tốc tăng và áp suất giảm Sau đoạn ống thẳng, vận tốc giảm và áp suất tăng Chúng ta sẽ tiến hành đo áp suất tại hai điểm khác nhau.
− Sau đoạn ống thẳng (tức là trước khi ống được mở rộng).
Nguyên tắc: Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co dựa trên định luật liên tục và phương trình năng lượng của Bernoulli.
− Phương trình liên tục: A 1 u 1 = A 2 u 2 hay Au=const
2 2 hay 2 ρu 2 ρu 2 p + 1 = p + 2 Áp dụng cho ống Venturi: 1 2 2 2
Trong đó: A1 - là diện tích trước co
A2 - là diện tích ở vị trí co u1 - là vận tốc trước vị trí co u2 - là vận tốc ở vị trí co p1 - là áp suất trước vị trí co
Áp suất tại vị trí co (P2) và khối lượng riêng (ρ) cùng với độ cao trước (h1) và sau (h2) co cho thấy rằng khi ống bị thu nhỏ, vận tốc dòng chảy tăng lên Theo phương trình năng lượng của Bernoulli, tổng năng lượng của dòng chảy bao gồm năng lượng áp suất tĩnh và động năng (vận tốc) là một hằng số.
A 1 ) 2 , gọi là hằng số dòng chảy, ta có:
Từ đó ta có lưu lượng tính theo thể tích và khối lượng như sau:
Như vậy lưu lượng tỉ lệ với
2 căn bậc 2 của hiệu áp khi khối lượng riêng là hằng số Ưu điểm:
− Độ chính xác, độ 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 transmitter mà không cần quan tâmđế kích thước của đường ống
− Quá trình lắp đặt cần có thêm giá đỡ
− Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng. b) Tấm Orifice
Tấm Orifice là các đĩa kim loại phẳng với những lỗ có kích thước xác định, có nhiều hình dạng như tròn, ovan, bán nguyệt và hình côn Sự tồn tại của cả hai pha lỏng và khí trong dòng chảy có thể ảnh hưởng đến kết quả đo Để khắc phục vấn đề này, người ta sử dụng tấm Orifice có đục lỗ, giúp cải thiện độ chính xác khi đo lưu chất.
Hình 2- 16: Tấm orifice được lắp đặt trong đường ống
Khi tấm Orifice được lắp đặt trong đường ống có dòng chảy, nó tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau Sự giảm áp suất này có tính chất tuyến tính và tỷ lệ thuận với lưu lượng của chất lỏng hoặc khí.
Hình 2- 17: Sự chênh áp trong dòng chảy
Bằng cách áp dụng nguyên lý Bernoulli, thiết bị đo lường mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc của chất lỏng thông qua việc cài đặt theo dòng chảy Khi áp suất giảm giữa đầu vào và đầu ra, cường độ giảm này sẽ được sử dụng để tính toán tốc độ dòng chảy, tương tự như nguyên lý hoạt động của ống venturi Ưu điểm của phương pháp này là cho phép xác định chính xác lưu lượng chất lỏng.
− Dễ dàng lắp đặt và bảo trì.
− Chỉ cần sử dụng chung 1 loại transmitter mà không cần quan tâm đế kích thước của đường ống.
− Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng. c) Pilot tube
Một ống pitot cơ bản gồm một ống hướng vào dòng chảy chất lỏng và một màng mỏng bên trong Khi chất lỏng đi vào ống, áp suất có thể được đo; chất lỏng này sẽ đọng lại bên trong mà không có ống thoát để cho phép lưu lượng tiếp tục Áp suất đo được này được gọi là áp suất trì trệ của chất lỏng, hay còn gọi là áp suất tổng, đặc biệt trong ngành hàng không, nó được gọi là áp suất Pitot.
Ống pilot hai đường ống không thể tự đo vận tốc dòng chất lỏng, như tốc độ không khí trong ngành hàng không Theo phương trình Bernoulli, áp suất tổng được xác định bằng tổng của áp suất tĩnh và áp suất động.
Ta có thể viết như sau: p t = p s + ρ u 2
Ống pitot là một công cụ đo vận tốc dòng chảy (m/s) dựa trên áp suất tổng (Pa) và áp suất tĩnh (Pa), cùng với khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3) Tuy nhiên, trong thực tế, việc sử dụng ống pitot gặp phải một số hạn chế.
Khi vận tốc thấp, chênh áp sẽ giảm xuống, khiến đầu dò gặp khó khăn trong việc đo chính xác Điều này dẫn đến sai số lớn trong các phép đo Vì vậy, ống pitot không thể hoạt động hiệu quả ở vận tốc quá nhỏ.
Khi vận tốc vượt quá mức cho phép (siêu âm), các giả định của phương trình Bernoulli không còn đúng và phép đo áp suất sẽ không chính xác Tại đầu ống, sóng xung kích xuất hiện, dẫn đến sự thay đổi trong áp suất tổng Những sóng xung kích này có thể được điều chỉnh khi sử dụng ống pitot cho các tốc độ lớn, chẳng hạn như trong trường hợp máy bay.
Khi đường ống bị tắc hoặc chèn ép, áp suất tại đầu dò áp suất sẽ không phản ánh đúng áp suất động và tĩnh, dẫn đến việc không thể đo chính xác vận tốc dòng chảy Để khắc phục điều này, ống pitot trung bình được phát triển với nhiều điểm đo áp suất động theo chiều ngang của đường ống, từ đó tính giá trị trung bình áp suất động Giá trị này sau đó được so sánh với áp suất tĩnh trong ống, giúp tính toán vận tốc và lưu lượng dòng chảy một cách chính xác.
Hình 2- 19: Cấu tạo ống pilot trung bình Ống Pitot trung bình bao gồm các thành phần sau:
− Outer impact tube (Vỏ ngoài tác động)
− Internal averaging tube (Ống trung bình nội bộ)
− Low pressure chamber (Buồng áp suất thấp)
− Head (Đầu nắp) Ưu điểm:
− Chỉ cần sử dụng chung 1 loại transmitter mà không cần quan tâm đế kích thước của đườngống.
− Ít cản trở dòng chảy.
− Yêu cầu mức độ chênh áp không quá lớn.
− Độ chính xác phụ thuộc vào thông số của dòng chảy
− Đoạn ống lắp đặt thiết bị phải là đoạn ống thẳng d) Elbow meters
Đo lưu lượng khối lượng
2.2.1 Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt
Một phương pháp hiệu quả để đo dòng chảy là đánh dấu một chất điểm trong môi trường lưu chất và theo dõi chuyển động của nó Thời gian di chuyển của chất điểm giữa hai điểm có thể được sử dụng để tính toán lưu lượng dòng chảy Nhiệt độ là một yếu tố vật lý dễ điều chỉnh mà không ảnh hưởng đáng kể đến dòng chảy Các cảm biến đo tốc độ phân tán nhiệt trong dòng chảy được gọi là nhiệt lưu kế (thermoanemometer), chúng nhạy hơn và có dải động lớn so với các cảm biến khác Nhiệt lưu kế có khả năng đo sự dịch chuyển nhỏ và các dòng chảy mạnh Thiết kế của nhiệt lưu kế quyết định giới hạn hoạt động của nó; tại một vận tốc nhất định, các phân tử gần nguồn nhiệt không kịp hấp thụ đủ nhiệt năng để tạo ra sự thay đổi nhiệt trong cảm biến.
Nguyên lý đo này thường được 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 định vào dòng lưu chất và đo sự suy giảm lượng nhiệt ấy qua hai điểm.
− Đặt một nguồn nhiệt vào lưu chất sao cho sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm là không đổi.
Nguyên lý đo nhiệt độ sử dụng tối thiểu hai cảm biến nhiệt (TE) để đảm bảo độ chính xác Một cảm biến sẽ đo nhiệt độ của dòng lưu chất trước khi gia nhiệt, trong khi cảm biến còn lại đo nhiệt độ sau gia nhiệt Điều này giúp kết quả đo không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ ban đầu Kết quả từ hai cảm biến sẽ được xử lý và thiết bị đo sẽ cung cấp tín hiệu điện (4-20mA, 1-5V ) tương ứng với lưu lượng của lưu chất.
Hình 2- 38: Thiết bị đo lưu lượng sử dụng nguyên lý gia nhiệt Ưu điểm
− Có thể dùng do cho đường ống lớn.
Hình 2- 39: Dạng lắp đặt của cảm biến lưu lượng sử dụng nguyên lí gia nhiệt
− Không có cơ cấu chuyển động nên có khả năng chốn rung tốt và không bị làm sụt áp.
− Có thể đo chính xác với lưu chất có vận tốc thấp.
− Hiệu quả khi đo khí sạch, không dùng cho khí mài mòn.
Đo lưu chất có độ ẩm hoặc nước đọng thường không chính xác Áp suất và nhiệt độ môi trường, đặc biệt là với chất khí, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả đo lưu lượng Đáng chú ý, với máy đo lưu lượng khối thông thường, áp suất có tác động nhỏ đến kết quả đo, vì khi áp suất tăng, lưu lượng khối cũng tăng theo tỷ lệ thuận.
Một bộ xử lý dữ liệu điển hình của nhiệt lưu kế sẽ nhận vào ít nhất 3 biến tín hiệu đầu vào:
− Nhiệt độ môi trường lưu chất
Các tín hiệu được ghép kênh và chuyển đổi sang dạng kỹ thuật số để máy tính xử lý, nhằm tính toán các đặc tính của dòng chảy Dữ liệu thường được trình bày dưới dạng vận tốc (m/s), lưu lượng thể tích (m³/s) và lưu lượng khối (kg/s).
Các cảm biến lưu lượng sử dụng phương pháp trên là
− Lưu kế dây nóng (Hot-wire anemometer)
− Nhiệt lưu kế ba thành phần (Three-Part Thermoanemometer)
− Nhiệt lưu kế hai thành phần (Two-Part Thermoanemometer)
− Nhiệt lưu kế cho dòng vi mô (Microflow Thermal Transport Sensors)
2.2.1.1 Lưu kế dây nóng (Hot-wire anemometer)
Nhiệt lưu kế dây nóng là một loại cảm biến đơn giản, khác với các cảm biến đa thành phần Cảm biến này sử dụng một dây dẫn mỏng được làm nóng, với đường kính từ 0.0038-0.005 mm và chiều dài khoảng 1-2 mm, có điện trở từ 2-3 Ohm Nguyên lý hoạt động dựa trên việc làm nóng dây dẫn đến 200-300 độ C, cao hơn nhiệt độ môi trường, để đo nhiệt độ của dây Khi không có dòng chảy, nhiệt độ dây dẫn ổn định, nhưng khi lưu chất di chuyển, dây dẫn sẽ bị làm mát nhanh chóng, đặc biệt với dòng chảy mạnh Ưu điểm nổi bật của cảm biến này là tốc độ phản hồi nhanh, có thể đạt đến tần số 500Hz.
Có 2 phương pháp để điểu khiển nhiệt độ và đo đạc hiệu ứng làm mát, đó là cấp một áp không đổi hay cấp cho cảm biến một nguồn đẳng nhiệt Trong phương pháp đầu tiên, suy giảm nhiệt độ trên dây dẫn sẽ được ghi nhận lại, trong khi ở cách thứ hai, một nhiệt độ cố định được duy trì trên dây dẫn dưới bất kì tốc độ nào của dòng chảy đỏi hòi phải liên tục tăng công suất của nguồn cấp Công suất này chính là thước đo lưu lượng của dòng chảy. Trong lưu tốc kế dây nóng, dây dẫn có hệ số dẫn nhiêt dương (PTC) và do đó nó được sử dụng để phục vụ cho hai mục đích: một là để tăng nhiệt độ dây dẫn cao hơn nhiệt độ môi trường (để tạo ra được hiệu ứng làm mát trên dây dẫn); hai là cũng để đo lại nhiệt độ đo vì điện trở của dây suy giảm khi dây bị làm nguội đi.
Hình 2- 40: Cầu cân bằng về không cấp nhiệt không đổi cho lưu kế dây nóng
Hình 2 -40 cho thấy một mạch cầu đơn giản dùng để cấp nhiệt không đổi.
Phản hồi từ bộ khuếch đại servo duy trì mạch cầu ở trạng thái cân bằng, với điện trở R1 – R3 không đổi, trong khi điện trở Rw của dây nóng thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ tw trên dây giảm, Rw tạm thời giảm, dẫn đến suy giảm điện áp cầu – e tại đầu vào âm của bộ khuếch đại servo Kết quả là điện áp Vout tăng, làm tăng dòng i qua dây và tăng nhiệt độ Quá trình này phục hồi nhiệt độ ban đầu của dây, nhờ vào môi trường lưu chất làm mát, giữ cho tw ổn định bất chấp sự thay đổi của dòng chảy Điện áp phản hồi Vout trở thành tín hiệu đầu ra của mạch, cho phép đo lưu lượng khối của dòng, với áp suất tăng theo tốc độ dòng chảy.
Dưới điều kiện dòng ổn định, công suất điện Qe cung cấp cho dây dẫn được cân bằng với nhiệt năng phân tán Qt do ảnh hưởng của truyền nhiệt đối lưu, thể hiện qua mối quan hệ: Qe = Qt.
Xét đến dòng điện cấp nhiệt i, nhiệt độ dây dẫn tw, nhiệt độ dòng chảy tf, diện tích bề mặt dây dẫn Aw và hệ số truyền nhiệt h, phương trình cân bằng nhiệt có thể được biểu diễn như sau: i²R = hA(tw - tf).
Vào năm 1914, King đã phát triển một giải pháp cho bài toán tản nhiệt từ một hình trụ dài vô hạn trong dòng chảy không nén được với hệ số Reynolds thấp Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức: h = a + bν^c.
Với a, b không đổi và c = 0.5 Phương trình trên được biết đến là định luật King. f
Bằng cách triệt tiêu hệ số dẫn nhiệt h và áp dụng công thức V out = i(R w + R 1 ) với c = 0.5, chúng ta có thể giải phương trình để xác định điện áp đầu ra theo vận tốc dòng chảy v.
Chênh lệch lớn giữa nhiệt độ dòng và nhiệt đồ dây dẫn giúp tín hiệu đầu ra ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường Để tính toán hiệu quả, cần tối đa hóa chênh nhiệt tw − tf và diện tích bề mặt cảm biến Tuy nhiên, định luật King, áp dụng cho hình trụ dài vô hạn, có thể không chính xác cho cảm biến thực tế Dây nóng cần ngắn (không quá 2mm), gắn với đầu dò và giữ cố định trong lòng dòng chất lưu Điện trở dây phải thấp để có thể làm nóng bằng dòng điện, đồng thời dây cần có hệ số nhiệt cao Do đó, thiết kế cảm biến cần được thực hiện cẩn thận để đáp ứng các yêu cầu này.
Hình 2- 41: a Đầu dò dây nóng và b Đầu dò màng nóng dạng hình nón
Cảm biến dạng hình nón, như Hình 2-41b, chủ yếu được sử dụng để đo dòng chảy của nước nhờ vào hình dạng đặc biệt giúp ngăn chặn việc xơ vải và tạp chất dạng sợi bị vướng vào cảm biến Điều này cho phép cảm biến hoạt động hiệu quả trong môi trường nước ô nhiễm, trong khi cảm biến Hình 2-41a thường được áp dụng cho nước đã qua lọc và xử lý.
2.2.1.2 Nhiệt lưu kế ba thành phần (Three-Part Thermoanemometer)
Nhiệt lưu kế, như mô tả trong Hình 2-42, thường được sử dụng cho các dòng chất lỏng, nhưng cũng có thể áp dụng cho dòng chất khí Thiết bị này có kết cấu chắc chắn và khả năng chống bẩn, bao gồm ba ống nhỏ được nhúng vào môi trường lưu chất Hai ống chứa đầu dò nhiệt R0 và Rs, có khả năng dẫn nhiệt vào dòng chảy nhưng được cách nhiệt với các cấu trúc bên trong, trong khi ống thứ ba dùng để đo lưu lượng dòng chảy Một nguồn nhiệt được đặt giữa hai đầu dò, và cả hai ống dò đều kết nối với dây dẫn điện nhỏ nhằm giảm thiểu hao phí nhiệt trong mạch điện.
Hình 2- 42: a Thiết kế đơn giản của nhiệt lưu kế hai cảm biến và b Mặt cắt ngang của đầu dò nhiệt độ
Cảm biến hoạt động bằng cách sử dụng ống dò nhiệt R0 ở phía thượng nguồn để đo nhiệt độ bình thường của dòng chảy Tại hạ nguồn, bộ gia nhiệt làm tăng nhiệt độ dòng chảy, và sự tăng nhiệt này được ghi nhận bởi ống dò nhiệt Rs Trong môi trường tĩnh, nhiệt năng từ nguồn nhiệt truyền qua môi trường đến cả hai ống dò Khi dòng chảy đứng yên, sự dịch chuyển nhiệt diễn ra thông qua dẫn nhiệt và đối lưu trọng trường, nhờ vào việc nguồn nhiệt được đặt gần đầu dò.