BẢO TRÌ CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
Vinamain.com
----- ˜ - & - ™-----




CÁC LOẠI CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG











Tháng 08-2010
Các loại cảm biến lưu lượng Vinamain.com


Bảo trì công nghiệp Việt Nam Page 2

1. CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG
1.1. Vận tốc dòng chảy và lưu lượng
Nhiều dụng cụ đo đã được phát triển để đo lưu lượng; nó là một trong những chủ đề phức
tạp nhất trong điều khiển quá trình. Trong mục này, chúng ta tìm hiểu những ví dụ về các
cảm biến lưu lượng sử dụng các nguyên lý sau đây:
§ Áp suất sai lệch (chênh áp - Differential Pressure)

§ Tạo độ xoáy (Vortex/Swir generation)
§
Từ trường (
Electromagnetic
)

§ Thế chỗ (Positive displacement)
§ Tua bin
§ Cảm biến khối lượng (Mass)
§ Nhiệt
Một trong những công dụng phổ biến nhất của cảm biến lưu lượng là xác định lưu lượng
của vật liệu qua đường ống với kích thước biết trước. Nhớ rằng lưu lượng là lượng chất
lỏng, chất dạng vữa, khí hoặc thậm chí cả chất rắn dạng bột đi qua trong một khoảng thời
gian xác định.
Máy đo lưu lượng có thể đo:
1. 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 (ft
3
/min)
2. 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)
3. Vận tốc dòng chảy – là khoảng cách 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
Trong hình 1, chúng ta thấy đường kính của hai ống có kích thước khác nhau ảnh hưởng
như thế nào đến vận tốc dòng chảy khi xét cùng lưu lượng.
Các loại cảm biến lưu lượng

Bảo trì công nghiệp Việt Nam


1.2. Các yếu tố xem xét
Mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc
Tổng năng lượng của bất cứ dòng ch
suất, vận tốc và độ cao. Số lượng của mỗi th
lượng vẫn không đổi trừ khi năng l
nước khi nằm trên đỉnh của tòa nhà v
cao lớn. Nếu nó bị đổ ra ngoài, ch
Khi nó chạm vào đất, nó không c
vào mặt đất do năng lượng của vận tốc đ
được truyền tới đất, nước thực chất không c
Dòng chất lỏng chảy qua đường ống tác động cũng giống nh
tích cho trước được cho qua một đ
vì chất lỏng đã trao đổi năng lượng của áp suất cho năng l
Nếu lưu lượng thể tích duy trì không
với tốc độ nhanh nhất.
Độ nhớt, khối lượng riêng và ma sát là nh
loại cảm biến lưu lượng sao cho nó thật ph
sát nội trong bản thân vật chất, nó có ảnh h
chảy trong đường ống. Độ nhớt c


Hình 1
ận tốc
òng chất lỏng nào cũng được tạo nên từ 3 th
ợng của mỗi thành phần có thể thay đổi, nhưng t
ợng vẫn không đổi trừ khi năng lượng bị lấy đi hay thêm vào chất lỏng. Ví dụ, một tách
òa nhà vẫn không có áp suất hoặc vận tốc, nh
ài, chất lỏng sẽ trao đổi năng lượng của độ cao cho vận tốc.
ất, nó không còn vận tốc hoặc độ cao nhưng nó tác động một lực lớn

ợng của vận tốc đã chuyển đổi thành áp suất. Khi lực va chạm đ
ớc thực chất không còn năng lượng nữa.
ờng ống tác động cũng giống như thế. Nếu một l
ợc cho qua một đường ống nhỏ hơn, vận tốc sẽ tăng lên và áp su
ợng của áp suất cho năng lượng của vận tốc.
ì không đổi, áp suất sẽ thấp hơn ở nơi chất lỏng di chuyển
Hình 2
êng và ma sát là những yếu tố quan trọng phải xem xét khi chọn
ợng sao cho nó thật phù hợp với quá trình đã xác định. Độ nhớt l
ội trong bản thân vật chất, nó có ảnh hưởng đến sự chuyển động của vật chất khi
ờng ống. Độ nhớt càng cao thì lực cản dòng chảy càng lớn. Mật ong l
Vinamain.com

Page 3

ừ 3 thành phần: áp
ưng tổng năng
ất lỏng. Ví dụ, một tách
ẫn không có áp suất hoặc vận tốc, nhưng nó có độ
ợng của độ cao cho vận tốc.
ộng một lực lớn
ất. Khi lực va chạm đã
ế. Nếu một lưu lượng thể
ên và áp suất giảm

ất lỏng di chuyển

ững yếu tố quan trọng phải xem xét khi chọn
ịnh. Độ nhớt là ma
ởng đến sự chuyển động của vật chất khi

ớn. Mật ong là một
Các loại cảm biến lưu lượng Vinamain.com


Bảo trì công nghiệp Việt Nam Page 4

ví dụ về chất lỏng có độ nhớt cao. Nó không chảy dễ dàng như sữa khi mà độ nhớt của
sữa thấp.
Khối lượng riêng là khối lượng trên một đơn vị thể tích vật liệu. Ví dụ về đơn vị khối
lượng riêng là pounds trên foot khối (lb/ft
3
) hoặc pounds trên gallon (lb/gallon) hoặc gam
trên centimet khối (g/cm
3
). Khối lượng riêng của khí tùy thuộc vào thành phần cấu tạo,
nhiệt độ và áp suất của nó. Bởi vì chất lỏng thì không chịu nén như chất khí, khối lượng
riêng của chất lỏng là một hàm số của thành phần cấu tạo và nhiệt độ của nó. Chất lỏng
nặng hơn sẽ khó đẩy hơn và sẽ chảy chậm hơn khi cùng chịu một lực tác dụng (áp suất
đặt lên tiết diện ngang của đường ống) so với chất lỏng nhẹ hơn.
Biết được lưu lượng chính xác chỉ khi loại chất lỏng, nhiệt độ, áp suất và lưu lượng cho
quá trình phù hợp với đặc tính kỹ thuật được thiết kế của cảm biến. Khi vật liệu quá trình,
lưu lượng hoặc các điều kiện nằm ngoài dải đo đã xác định, cần thiết phải hiệu chuẩn lại
cảm biến hoặc thay đổi cảm biến bằng một loại khác phù hợp với điều kiện hiện tại.
Khối lượng riêng được sử dụng để chuyển đổi giữa lưu lượng thể tích và lưu lượng khối
lượng. Ví dụ, đối với dầu:
Lưu lượng thể tích x khối lượng riêng = Lưu lượng khối lượng
Ví dụ: 5 gpm x 7.2lb/gal = 36 lb/min
Ma sát
Cùng với ma sát nội liên quan đến độ nhớt, ma sát cũng là sự cản trở đối với dòng chảy
của vật chất do sự tiếp xúc của dòng chảy với thành ống hoặc do sự tắc nghẽn. Ống càng

nhám hoặc số lượng các đoạn khúc khuỷu, các van, các đầu nối càng nhiều thì ma sát
càng lớn. Ma sát xảy ra khi vật liệu chảy qua đường ống dẫn đến sự mất mát áp suất hệ
thống vĩnh viễn và tạo thành nhiệt. Trong khi sự tổn thất áp suất thường là hiển nhiên, bất
kỳ sự thay đổi nhiệt độ nào đều không đáng kể so với các nguồn nhiệt khác.
Các dạng dòng chảy
Khối lượng riêng, ma sát và độ nhớt có thể ảnh hưởng đến dạng dòng chảy trong ống.
Dạng dòng chảy có thể đoán trước bằng toán học từ đường kính ống, vận tốc dòng chảy,
khối lượng riêng và độ nhớt. Hình 3 minh họa các ví dụ về 3 loại dòng chảy cơ bản. Các
ví dụ này là cùng một lưu lượng, chỉ khác nhau về các yếu tố khác của dòng chảy. Hầu
hết các thiết kế cảm biến lưu lượng dựa vào dòng chảy hỗn loạn đồng nhất cho các phép
đo chính xác.
Các loại cảm biến lưu lượng

Bảo trì công nghiệp Việt Nam

Bạn nhận thấy rằng, dòng chảy qua đ
phạm vi của tài liệu này, như là:
§ Chỗ uốn cong của ống
§ Góc tạo bởi đường ống so với ph
§ Khoảng cách di chuyển
§ Khả năng chịu nén của khí
Hầu hết các thiết kế cảm biến lưu lư
đo lưu lượng thể tích. Để tránh d
một “meter run” của đường ống thẳng không gây tắc nghẽn d
cảm biến để tạo một dòng chảy t
có đường kính 20-25 phía trước cảm biến v
một số trường hợp, những mãnh kim lo
dòng để đảm bảo có dòng chảy đồng nhất. Nếu không có đ
chính xác của cảm biến lưu lượng sẽ bị ảnh h
1.3. Áp suất sai lệch

Kiểu cảm biến lưu lượng được sử dụng phổ biến nhất l
một đoạn ống thu hẹp. Bởi vì lượng lớn thông tin v
kiểu dựa vào sự thu hẹp đường ống n
dụng chính xác.
Các ống “venturi”, các tấm “orifice” v
áp thường được đặt trong đường ống quá tr
chênh lệch áp suất mà có thể dễ d
số ưu điểm của phương pháp này là:



Hình 3
ảy qua đường ống bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác ngo

ờng ống so với phương ngang

ả năng chịu nén của khí
ưu lượng đều giả sử là dòng chảy hỗn loạn đồng nhất để
ợng thể tích. Để tránh dòng chảy hỗn loạn không đồng nhất, thường phải lắp đặt
ờng ống thẳng không gây tắc nghẽn dòng chảy phía tr
ảy tương đối đồng nhất. Thường sử dụng đường ống thẳng
ớc cảm biến và đường kính 5-10 phía sau cảm biến. Trong
ãnh kim loại mỏng được lắp đặt bên trong ống song song với
ảy đồng nhất. Nếu không có được dòng chảy đồng nhất, độ
ợng sẽ bị ảnh hưởng.
ợc sử dụng phổ biến nhất là dựa vào phép đo áp su
ợng lớn thông tin và các thí nghiệm sẵn có, các cảm biến
ờng ống này cho kết quả có độ chính xác cao k
ống “venturi”, các tấm “orifice” và các “nozzle” là những ví dụ về các thiết bị giảm
ờng ống quá trình để đo lưu lượng. Cả ba đều tạo n

ể dễ dàng đo được và từ đó tính được lưu lượng thể tích. Một
ương pháp này là:
Vinamain.com

Page 5
ởng bởi nhiều yếu tố khác ngoài
ảy hỗn loạn đồng nhất để
ờng phải lắp đặt
ảy phía trước và sau
ờng ống thẳng
ảm biến. Trong
ống song song với
ảy đồng nhất, độ
ào phép đo áp suất rơi trên
ệm sẵn có, các cảm biến
ết quả có độ chính xác cao khi được sử
ững ví dụ về các thiết bị giảm
ợng. Cả ba đều tạo nên một
ợng thể tích. Một
Các loại cảm biến lưu lượng

Bảo trì công nghiệp Việt Nam

§ Giá thành tương đối thấp
§ Dễ lắp đặt và thay thế
§ Không có bộ phận chuyển động
§ Thích hợp với nhiều loại vật liệu, dải nhiệt độ v
Hình 4a là một ống venturi. Hình 4b
qua một ống venturi.
Các cảm biến hoạt động dựa vào s

lưu lượng thể tích không đổi bị buộc đi qua một v
sẽ tăng lên để đảm bảo cùng m
gian. Sự thay đổi về vận tốc làm gi
trên mỗi phía của vùng giới hạn có thể đo đ
thiết bị cảm biến áp suất chênh l
hạn, và cái còn lại được đặt nơi d
chảy qua vùng giới hạn có thể đ


ối thấp
ộ phận chuyển động
ợp với nhiều loại vật liệu, dải nhiệt độ và áp suất hoạt động rộng.
ình 4b cho thấy làm thế nào mà một chất lỏng di chuyển
Hình 4a

Hình 4b
ào sự giới hạn sử dụng một yếu tố đó là khi ch
ợng thể tích không đổi bị buộc đi qua một vùng giới hạn, vận tốc dòng ch
ùng một lượng chất lỏng đi qua trong cùng một khoảng thời
àm giảm áp suất tĩnh nơi mà dòng chảy tăng tốc. Áp suất
ới hạn có thể đo được nhờ sử dụng đồng hồ đo áp suất hoặc
ênh lệch. Một đồng hồ áp suất được đặt phía trư
ơi dòng chảy hẹp nhất và có vận tốc cao nhất. Vận tốc d
ới hạn có thể được tính toán từ việc đo áp suất chênh lệch nếu đặc tính
Vinamain.com

Page 6
ất hoạt động rộng.
ột chất lỏng di chuyển



à khi chất lỏng có
òng chảy khi đó
ột khoảng thời
ảy tăng tốc. Áp suất
ợc nhờ sử dụng đồng hồ đo áp suất hoặc
ước vùng giới
ận tốc cao nhất. Vận tốc dòng
ệch nếu đặc tính
Các loại cảm biến lưu lượng

Bảo trì công nghiệp Việt Nam

của vật chất chảy qua ống là biết tr
lệch áp suất tăng 4 lần. Quan hệ áp suất l
Các tấm “orifice” là thiết bị giới hạn đ
đặt trong dòng chảy quá trình gi
đứng. Hình 5 là một ví dụ về một tấm “orifice” ti
qua tấm “orifice” có lỗ hở 1,345 inch.
Phía vào của tấm “orifice” thường đ
vào có thể được nhận dạng bằng
xiên là phía ngõ ra. Nếu lỗ khoan không có cạnh xi
“orifice” dùng cho ống có kích th


ết trước. Mỗi khi dòng chất lỏng tăng gấp đôi, đ
ệch áp suất tăng 4 lần. Quan hệ áp suất lưu lượng này là một hàm căn bậc hai.
ết bị giới hạn được sử dụng phổ biến nhất. Tấm “orificie” đ
ình giữa hai mặt bích nằm trên các ống nằm ngang hay thẳ
ột ví dụ về một tấm “orifice” tiêu biểu. Dòng chảy bị giới hạn khi đi

ấm “orifice” có lỗ hở 1,345 inch.


Hình 5
ờng được đánh dấu trên tay cầm của nó. Nếu không, phía
ợc nhận dạng bằng cách kiểm tra lỗ khoan. Nếu nó có một cạnh xi
ếu lỗ khoan không có cạnh xiên, đây là loại tiêu biểu cho các tấm
ống có kích thước lớn, không cần phân biệt mặt nào là phía vào hay
Vinamain.com

Page 7
ất lỏng tăng gấp đôi, độ chênh
ậc hai.
ợc sử dụng phổ biến nhất. Tấm “orificie” được
ống nằm ngang hay thẳng
ảy bị giới hạn khi đi

ầm của nó. Nếu không, phía
ểm tra lỗ khoan. Nếu nó có một cạnh xiên, cạnh
ểu cho các tấm
ào là phía vào hay
Các loại cảm biến lưu lượng

Bảo trì công nghiệp Việt Nam

ra. Thông thường, các tấm “orifice” đư
vào.
Các tấm “orifice” có thể có các lỗ hở có h
của chất lỏng mà chúng được thiết kế cho ph
§ Nếu dòng chất lỏng chứa bọt khí hoặc chứa chất khí c

đỉnh ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép các bọt khí đi qua đó m
không qua lỗ hở đo lường.
§ Cũng giống như thế, nếu d
ngưng tụ này sẽ tập trung ở đáy của đ
để cho phép chất lỏng đi qua m
đo.
Hình 7 trình bày một phương pháp đ
“orifice” để đo lưu lượng. Chúng
hoặc lỗ mặt bích 2½D – 8D. 2½D
đường kính ống về phía trước và m
kính ống về phía sau. Một cấu h
được lắp đặt trong mặt bích để có thể giữ luôn tấm “orifice”.


orifice” được đánh dấu các thông tin nhận dạng b
ấm “orifice” có thể có các lỗ hở có hình dáng và vị trí khác nhau tùy theo đ
ợc thiết kế cho phù hợp:
ất lỏng chứa bọt khí hoặc chứa chất khí có xu hướng tập trung tr
ỉnh ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép các bọt khí đi qua đó m
ờng.
ế, nếu dòng chảy quá trình là chất khí có thể bị ng
ẽ tập trung ở đáy của đường ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông
ể cho phép chất lỏng đi qua mà không phải đi qua lỗ chính gây sai lệch kết quả

Hình 6
ương pháp đặt các lỗ lấy áp suất trên đường ống nếu sử dụng tấm
ợng. Chúng được gọi là bán kính hoặc lỗ D – D/2. Cách khác là l
8D. 2½D – 8D có một lỗ cách tấm “orifice” một đoạn 2
à một lỗ khác cách tấm “orifice” một đoạn 8 lần đ
ống về phía sau. Một cấu hình khác là lỗ mặt bích, cấu hình này rất phổ biến v

ợc lắp đặt trong mặt bích để có thể giữ luôn tấm “orifice”.
Vinamain.com

Page 8
ợc đánh dấu các thông tin nhận dạng bên phía mặt
ùy theo đặc tính
ớng tập trung trên
ỉnh ống, tấm “orifice” sẽ có một lỗ thông để cho phép các bọt khí đi qua đó mà
ất khí có thể bị ngưng tụ, phần
ấm “orifice” sẽ có một lỗ thông
ải đi qua lỗ chính gây sai lệch kết quả

ờng ống nếu sử dụng tấm
D/2. Cách khác là lỗ
ột lỗ cách tấm “orifice” một đoạn 2½ lần
ột lỗ khác cách tấm “orifice” một đoạn 8 lần đường
ất phổ biến và
Các loại cảm biến lưu lượng

Bảo trì công nghiệp Việt Nam

Hình 7
Trong hình 8 sử dụng một đồng hồ đo ch
hình 7
Trong ví dụ ở hình 8, giả sử một va
gấp đôi. Nếu chúng ta sử dụng các phép toán phức tạp để tính l
suất đo được, chúng ta nhận thấy rằng độ ch
tăng gấp đôi tương ứng, nhưng l
tuyến tính với căn bậc hai của độ ch
áp suất. Bảng ở hình 9 sau đây đưa ra s

nước) với lưu lượng tương ứng đ
gallons/phút.


Hình 7
ử dụng một đồng hồ đo chênh áp thay vì sử dụng hai đồng hồ ri
Hình 8
ả sử một van được mở trên đường ống, và lưu lượng thể tích tăng
ấp đôi. Nếu chúng ta sử dụng các phép toán phức tạp để tính lưu lượng từ các giá trị áp
ợc, chúng ta nhận thấy rằng độ chênh lệch áp suất qua tấm “orifice” không
lại tăng 4 lần. Điều này là bởi vì lưu lượng thể tích tỷ lệ
ến tính với căn bậc hai của độ chênh lệch áp suất chứ không phải chính độ ch
đây đưa ra sự so sánh giữa sự thay đổi độ ch
ứng được tính theo phần trăm thang đo, pounds/giờ, v
Vinamain.com

Page 9

ử dụng hai đồng hồ riêng như ở

ợng thể tích tăng
ợng từ các giá trị áp
ệch áp suất qua tấm “orifice” không
ợng thể tích tỷ lệ
ệch áp suất chứ không phải chính độ chênh lệch
ự so sánh giữa sự thay đổi độ chênh áp (inch
ợc tính theo phần trăm thang đo, pounds/giờ, và
Các loại cảm biến lưu lượng Vinamain.com



Bảo trì công nghiệp Việt Nam Page 10

Áp suất sai lệch (inchs
H
2
O)
Lưu lượng
(gal/phút)
Lưu lượng
(lbs/giờ)
% thang đo
100
90
80
75
60
50
40
30
25
20
10
6.25
5
0
50.0
47.4
44.7
43.3
38.7

35.3
31.6
27.4
25.0
22.3
15.8
12.5
11.2
0.0
25,000
23,171
22,361
21,651
19,365
17,678
15,811
13,693
12,500
11,180
7,906
6,250
5,590
0
100.0%
94.9%
89.4%
86.6%
77.5%
70.7%
63.2%

54.8%
50.0%
44.7%
31.6%
25.0%
22.4%
0.0%
Hình 9

1.4. Cảm biến dựa vào độ xoáy của dòng chất lỏng (Cảm biến kiểu Vortex)
Cảm biến độ xoáy sử dụng một đặc tính khác của chất lỏng để xác định lưu lượng. Khi
một dòng chất lỏng chảy nhanh tác động vào một dốc đứng đặc vuông góc với dòng chảy
sẽ tạo ra các vùng xoáy. Tốc độ tạo xoáy trong dòng chất lỏng tăng lên khi lưu lượng
tăng. Các cảm biến lưu lượng kiểu xoáy này được tạo ra để hoạt động với chất lỏng, khí
hoặc hơi.
Cảm biến lưu lượng kiểu xoáy thường gồm có 3 phần:
1. Thân gián đoạn dòng chảy – có chức năng tạo ra các kiểu xoáy định trước tùy
thuộc vào hình dáng thân.
2. Một cảm biến bị làm rung bởi dòng xoáy, chuyển đổi sự rung động này thành các
xung điện.
3. Một bộ chuyển đổi và truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức năng gởi tín
hiệu đã được hiệu chuẩn đến các thành phần khác của vòng điều khiển.
Hình 2.70 trình bày một kiểu dòng chảy tiêu biểu trong đường ống chứa các phần tử cảm
biến độ xoáy.