Cảm biến đo trực tiếp lưu
tốc khối lượng khí ga dựa
trên công nghệ nhiệt

Tóm tắt
Bài viết trình bày rõ thêm về nguyên lý hoạt động và ứng
dụng của cảm biến đo trực tiếp lưu tốc khối lượng khí gas
dựa trên công nghệ nhiệt.
Abstract
This article presents about the principles of operation and
applications of sensors directly measure mass flow rate of
gas-based thermal technology.
Mở đầu
Việc đo lường khí ga trong công nghiệp là điều hết sức quan
trọng. Vì vậy đã có rất nhiều các nghiên cứu về dòng cảm
biến này nhằm đưa ra các thiế bị đo với dải đo rộng và độ
chính xác cao. Và một trong những loại cảm biến phải kế đến
khi chọn giải pháp đo lường khí ga là cảm biến đo lưu tốc
khối lượng dựa trên công nghệ nhiệt. Đây là cảm biến đo trực
tiếp lưu tốc khối lượng của khí ga. Nếu như kết quả đo lường
theo nguyên lý thể tích bị ảnh hưởng bới môi trường xung
quanh, điều kiện quá trình đo, sự thay đổi áp suất thì nguyên
lý đo lường khối lượng không bị ảnh hưởng bới độ nhợt, tỷ
trọng, nhiệt độ, hay áp suất.
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

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
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
thàn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

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.

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(
)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.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

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

với dòng chảy lớn như khí cháy, khí đốt thiên nhiên, hay việc
phân phối khí nén.
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.
Tài liệu tham khảo
[1]. McAdams, W. H., Heat Transmission, McGraw-Hill,
New York, 1954.
[2]. Brooks Instrument Div. of Emerson,
www.emersonprocess.com
[3]. Integrated Control Concepts Inc., www.icci-inc.com
[4]. Thermal Instrument Co., www.thermalinstrument.com
[5]. TSI Inc., www.tsi.com