Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Cập nhật lần cuối ngày 16/06/2023 lúc 02:39 chiều

Mến chào các bạn, tiếp tục chuỗi bài viết tìm hiểu về các thiết bị đo lưu lượng, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau, tìm hiểu về đồng hồ đo lưu lượng khối lượng, một loại đồng hồ đo lưu lượng sử dụng phương pháp đo lưu lượng khối lượng, nghĩa là xác định khối lượng chất lưu, đi qua mặt cắt đường ống trên một đơn vị thời gian.

Chính vì điều này mà người ta gọi, những thiết bị này là đồng hồ đo lưu lượng khối lượng. Nếu bạn đang quan tâm đến loại thiết bị đo lường này, và đang muốn tìm hiểu kỹ hơn về nó, hy vọng bài viết này sẽ cung cấp thêm cho bạn những thông tin hữu ích.

Tìm hiểu về đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng có tên tiếng anh là “Mass  Flow Meter”, là loại thiết bị đo lường có khả năng đo lưu lượng của nhiều loại lưu chất khác nhau, bao gồm chất khí và chất lỏng.

Giá trị mà đồng hồ đo lưu lượng khối lượng đo được, được thể hiện thông qua khối lượng lưu chất chảy qua một vị trí đường ống trên một đơn vị thời gian.

Ví dụ: kg/h, lb/min,…

Thay vì thể hiện giá trị đo thông qua thể tích trên một đơn vị thời gian.

Ví dụ: m³/min, m³/h,…

Việc sử dụng đơn vị đo khối lượng trên đơn vị thời gian, mang lại hiệu quả đo lường với độ chính xác cao hơn, vì như bạn đã biết thể tích của các loại chất lưu bên trong hệ thống, bị ảnh hưởng bởi yếu tố nhiệt độ, cụ thể là:

Khi nhiệt độ tăng chất lưu có xu hướng giãn nở ra, dẫn đến thể tích tăng lên.

Khi nhiệt độ giảm chất lưu có xu hướng co lại dẫn đến thể tích giảm đi.

Khối lượng của chất lưu thì sẽ không bị ảnh hưởng bởi yếu tố nhiệt độ, vì vậy mà đồng hồ đo lưu lượng khối lượng được đánh giá là thiết bị có độ chính xác cao nhất, so với những loại đồng hồ đo áp suất sử dụng những phương pháp đo khác như:

• Đồng hồ đo lưu lượng điện từ
• Đồng hồ đo lưu lượng xoáy
• Đồng hồ đo lượng tuabin,…

Vì đo lưu lượng với độ chính xác cao hơn, nên hiển nhiên thiết bị sẽ có giá thành cao hơn so với những dòng lưu lượng kế khác.

Ở thời điểm hiện tại, đồng hồ đo lưu lượng khối lượng sử dụng hai phương pháp đo khác nhau, mỗi phương pháp đo ứng với mỗi dòng đồng hồ đo khác nhau, từ đó ta có hai loại đồng hồ đo lưu lượng khối lượng khác nhau:

• Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis (Coriolis Mass Flow Meters).
• Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng dạng nhiệt (Thermal Mass Flow Meters).

Thông số kỹ thuật cơ bản

Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng, được cung cấp với hai dòng sản phẩm áp dụng hai nguyên lý khác nhau, từ hai dòng đồng hồ đó, các đơn bị sản xuất đã nghiên cứu và phát triển, thêm nhiều chủng loại sản phẩm, có những đặc tính riêng. Sau đây là phần tổng hợp những thông số kỹ thuật cơ bản, của các thiết bị đồng hồ đo lưu lượng khối lượng, quý bạn đọc có thể tham khảo thêm để hiểu, cũng như có góc nhìn tổng quát hơn về dòng đồng hồ đo lưu lượng này.

• Thiết bị: Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng
• Chủng loại: Coriolis Mass Flow Meters, thermal mass flow meters
• Đường kính thân đồng hồ: DN15 đến DN 400
• Lưu chất ứng dụng: Chất lỏng, chất khí, bùn,…
• Nhiệt độ chất lưu: -50℃ ~ 125℃, -50℃~200℃, -50℃~300℃,…
• Nguồn điện sử dụng: Từ 18 đến 36V-DC, từ 85 đến 265V-AC
• Áp suất làm việc của chất lưu: 1.6 Mpa, 2.5 Mpa, 4.0 Mpa,…
• Tín hiệu đầu ra: Từ 4 đến 20mA
• Dung sai đo lường: 0.1%, 0.2%, 0.5%,… (phụ thuộc vào tưng model)
• Phạm vi đo lưu lượng khối lượng: 15~3000 kg/h, 40~8000 kg/h, 250~50000 kg/h,…
• Nguồn gốc xuất xứ: Mỹ, Đức, Trung Quốc, Nhật Bản,…
• Chính sách bảo hành: 12 hoặc 18 tháng (tùy từng sản phẩm).

Lịch sử phát triển của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng là một thiết bị đo lường quan trọng, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Lịch sử phát triển của loại máy đo lưu lượng này, bắt đầu từ những năm 1960 và cho đến nay đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển.

Những năm 1960: Những thiết bị đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nhiệt đầu tiên, được phát triển bằng cách áp dụng nguyên lý truyền nhiệt. Chúng có độ chính xác không cao và chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản.

Những năm 1970: Thiết bị đồng hồ đo lưu lượng khối lượng coriolis, đầu tiên được phát minh, bởi một nhóm kỹ sư tại Micro Motion, Inc. ở Boulder, Colorado. Nhóm do Richard A. Crane dẫn đầu, người trước đây đã làm việc trong lĩnh vực, phát triển nhà máy điện hạt nhân. Crane và nhóm của ông nhận ra rằng, bằng cách đo lực Coriolis do chất lỏng chảy qua ống rung sinh ra, họ có thể đo chính xác tốc độ dòng chảy khối lượng của chất lỏng. Loại máy đo này áp dụng hiệu ứng Coriolis, để đo lưu lượng khối lượng của chất lưu đi qua, một đường ống đặc biệt.

Hiệu ứng Coriolis lần đầu tiên được nhắc đến, bởi nhà toán học người Pháp Gaspard-Gustave de Coriolis vào năm 1835.

Những năm 1980: Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis được sử dụng rộng rãi, trong nhiều hệ thống thuộc các lĩnh vực khác nhau, nó được đánh giá cao bởi sự chính xác trong đo lường, cùng hiệu quả làm việc ổn định và đáng tin cậy.

Những năm 1990: Trong giai đoạn này, các đồng hồ đo lưu lượng khối lượng được phát triển, với khả năng đo chính xác cao hơn, độ bền và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Đến nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị đồng hồ đo lưu lượng, được phát triển với độ chính xác cao hơn, đặc biệt với đồng hồ đo lưu lượng khối lượng coriolis, được thiết kế lại để có kích thước nhỏ gọn hơn, giúp cho công việc lắp đặt dễ dàng và thuận tiện hơn rất nhiều, cùng với đó người ta đã nâng cao giới hạn về kích thước của sản phẩm, để có thể lắp được cho những đường ống, có kích thước lên đến DN400.

Phân loại đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis

Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis, là dòng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng của chất khí, chất lỏng, áp dụng nguyên lý Coriolis.

Ở thời điểm hiện tại, loại thiết bị đo này đang dẫn đầu về độ chính xác trong đo lường, chính vì vậy mà giá thành của chúng thường cao hơn, những dòng lưu lượng kế khác khá nhiều.

Với giá thành cao như vậy, nên máy đo lưu lượng coriolis không được sử dụng phổ biến, mà nó chỉ ứng dụng trong một số hệ thống đặc biệt quan trọng, yêu cầu độ chính xác cao, hoặc sử dụng để đo lưu lượng, của những loại chất lưu có giá trị lớn như đo xăng dầu, để tính giá thành sản phẩm (do sự sai số trong đo lường ảnh hưởng trực tiếp lợi nhuận của các bên).

Mặc dù là thiết bị đo lưu lượng hiện đại bậc nhất, tuy nhiên sản phẩm vẫn còn tồn tại một số hạn chế, như trọng lượng và kích thước lớn, gây ra một số khó khăn nhất định trong quá trình lắp đặt. Sự chênh lệch lớn về giá thành, cũng là một rào cản lớn làm cho thiết bị khó tiếp cận hơn với người sử dụng.

Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nhiệt

Thiết bị áp dụng nguyên lý truyền nhiệt để đo lưu lượng khối của chất lưu, bên trong đường ống. về cơ bản quá trình này diễn ra như sau. Đồng hồ đo lưu lượng nhiệt được thiết kế hai chân cảm biến nhiệt độ, trong đó sẽ có một chân cảm biến phát ra nhiệt lượng, trong quá trình làm việc của hệ thống, chất lưu chảy trong đường ống sẽ tiếp xúc với chân phát nhiệt và lấy đi nhiệt lượng của chân phát nhiệt.

Tốc độ chảy của lưu chất càng cao, lượng nhiệt của chân đồng hồ bị mất đi càng lớn, đầu cảm biến còn lại sẽ đo nhiệt độ của lưu chất hệ thống.

Thiết bị có kết cấu nhỏ gọn, cung cấp khả năng đo lưu lượng khối lượng với độ chính xác cao, do không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và độ nhớt của chất lưu, phạm vi đo rộng, giá thành thấp hơn so với đồng hồ đo lưu lượng khối lượng coriolis.

Song song với những ưu điểm vượt trội thì đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nhiệt, vẫn có một số hạn chế bao gồm:

• Thiết bị chỉ được sử dụng để đo lưu lượng của các loại khí sạch, không có chứa tạp chất, để hạn chế mài mòn đầu cảm biến.
• Mặc dù có giá thành thấp hơn so với đồng hồ đo lưu lượng khối lượng coriolis, nhưng so với nhiều loại máy đo lưu lượng khác, giá thành của sản phẩm này vẫn khá cao.
• Trong các hệ thống hơi nóng hoặc khí nén, độ ẩm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác trong đo lường của thiết bị, không những thể sự ngưng tụ hơi nước còn ảnh hưởng đến độ bền của máy đo, cụ thể ở đây là các đầu cảm biến.
• Cần hiểu rõ về hệ thống, hiểu về tính chất của chất lỏng để đảm bảo thiết bị mang lại khả năng đo lường với hiệu quả cao nhất, vì việc hiệu chỉnh đồng hồ tương đối phức tạp.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Do đồng hồ đo lưu lượng khối lượng, được cung cấp với hai dòng sản phẩm khác nhau, với mỗi dòng đồng hồ chúng sẽ áp dụng nguyên lý làm việc khác nhau sau đây chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu về, nguyên lý làm việc của từng loại sản phẩm.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nhiệt

Trước tiên đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nhiệt, là loại máy đo được thiết kế để đo lưu lượng khối lượng của các loại chất khí, dựa trên hiện tượng truyền nhiệt.

Thiết bị này đo lưu lượng của dòng chảy bằng cách, truyền vào chất lưu cần đo một lượng nhiệt nhất định, thông qua một đầu phát nhiệt bằng kim loại.

Ở đây chúng ta lại có hai phương pháp đo khác nhau được áp dụng cho đồng hồ này bao gồm:

Phương pháp xác định công suất tiêu thụ.

Khi chất lỏng làm việc tiếp xúc với đầu phát nhiệt này, nó sẽ lấy đi một lượng nhiệt nhất định, để và để duy trì nhiệt lượng của thanh phát nhiệt, ở một mức độ ổn định, bộ phận vi sử lý của đồng hồ đo sẽ tính toán, lượng điện năng cần thiết để truyền cho đầu phát nhiệt, lượng nhiệt bị lưu chất hấp thụ càng lớn, thì điện năng dùng để duy trì nhiệt độ sẽ càng nhiều.
Trong suốt quá trình làm việc, lượng lưu chất đi qua đồng hồ đo càng nhiều, nghĩa là nó sẽ lấy đi nhiệt lượng nhiều hơn, kết hợp hai mối quan hệ này lại người ta có thể xác định được lưu lượng khối lượng của lưu chất công tác đang cần đo.

Phương pháp xác định nhiệt độ chênh lệch.

Với kiểu đo này chất lưu được dẫn vào trong một đường ống, trên đoạn đường ống này được bố trí, một thiết bị phát nhiệt hai đầu trước và sau của thiết bị này được bố trí, hai cảm biến nhiệt độ, chúng sẽ đo sự chênh lệch về nhiệt độ của chất lưu, sau khi đi qua bộ phận phát nhiệt.
Nhiệt lượng thiết bị phát nhiệt sinh ra là cố định, cùng với đó đồng hồ đo được hiệu chỉnh các thông số phù hợp với tính chất của lưu chất. Nên sự chênh lệch về nhiệt độ đo được của hai đầu cảm biến, tỷ lệ nghịch với lượng dòng chảy chất lưu.
Để hiểu hơn về nguyên lý này mời bạn tham khảo qua công thức tính, được hãng sản xuất đồng hồ đo Omega cung cấp trên website của họ:

m = Kq/(C p (T 2 – T 1 ))

Trong đó:

• Lưu lượng khối lượng (m).
• Độ chênh lệch nhiệt độ đo được (T 2 – T 1 ).
• Hệ số đồng hồ đo (K).
• Tỷ suất nhiệt điện (q).
• Nhiệt dung riêng của chất lỏng (C p ).

Trên đây là 2 kiểu nguyên lý cơ bản, được áp dụng trên nhiều dòng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nhiệt, trong ứng dụng thực tế nhiều thiết bị sẽ sử dụng nguyên lý này hoặc, sẽ có một số biến thể tùy vào việc, thiết bị đó được nghiên cứu và phát triển bởi đơn vị sản xuất nào.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis

Đúng với tên gọi của thiết bị, đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis, hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis.

Về cơ bản hiệu ứng Coriolis có thể được hiểu là, tất cả các vật thể chuyển động trên một bề mặt phẳng quay tròn, đều xu hướng trôi dạt sang một bên. Hiện tượng này được nhà vật lý, nhà toán học Gaspard-Gustave de Coriolis phát hiện ra, và người ta sử dụng tên của ông để đặt tên cho hiệu ứng này, Lực tác động làm chệch hướng duy chuyển, của vật thể chuyển động này, được gọi là lực Coriolis, được biểu thị thông qua công thức sau:

F = – 2m × ω × v

Trong đó:

• F là lực Coriolis (N).
• m là khối lượng của vật chuyển động (kg).
• ω là tốc độ góc của mặt phẳng quay (rad/s).
• v là vận tốc chuyển động của mặt phẳng quay (m/s).
• Dấu “-“ trong công thức thể hiện lực tác dụng ngược lại so với hướng của vận tốc.

Dựa trên nguyên lý này, đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis, chất lỏng cần đo được cho chảy vào bên trong các đường ống có biên dạng đặc biệt, những đường ống này được tạo dao động có phương vuông góc với phương của dòng chảy, nhờ vào một bộ phận đặc biệt. Điều này nhằm  phát sinh ra một lực Coriolis nhân tạo, tác động lên dòng chảy của chất lưu, nó tạo một lực xoắn, làm lệch pha dao động của đường ống so với ban đầu. Lực tác động làm lệch pha sẽ tỉ lệ thuận với khối lượng lưu chất đi qua đồng hồ đo.

Tại sao cần sử dụng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng là thiết bị có chức năng, đo lưu lượng khối lượng của chất lưu làm việc bên trong hệ thống đường ống, cùng với đó thiết bị này được tích hợp thêm một số chức năng, như đo áp suất, đo nhiệt độ,… (tùy vào từng sản phẩm). Đấy cũng là những chức năng thường thấy trên những nhiều thiết bị đồng hồ đo lưu lượng khác.

Vậy tại sao có nhiều tính năng tường đồng với nhiều dòng đồng hồ đo khác, trong khi giá thành cao hơn, mà nhiều hệ thống vẫn sử dụng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng. Chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu các nguyên nhân ngay sau đây:

• Độ chính xác cao: Lý do lớn nhất của việc đồng hồ đo lưu lượng khối lượng được, ứng dụng trong nhiều hệ thống quan trọng, đó là thiết bị này cung cấp khả năng đo lưu lượng của lưu chất với độ chính xác cao.
  Thay vì sử dụng phép đo lưu lượng thể tích để suy ra khối lượng của chất lưu, dòng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng, sẽ đo trực tiếp khối lượng của chất lưu. Phép đo này mang lại khả năng đo lường chính xác hơn, bởi vì nó không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như, nhiệt độ, áp suất, độ nhớt của chất lỏng,…
• Với độ chính xác cao, và khả năng đo lưu lượng khối lượng: Dòng thiết bị đo này thường được sử dụng, để đo lường quản lý trong việc tính toán chi phí, đối với những loại chất lưu có giá trị cao, phổ biến nhất là xăng dầu. Do xăng dầu cũng bị biến đổi về thể tích khi nhiệt độ thay đổi, nên để xác định đơn giá một các chính xác nhất, người ta thường sử dụng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng.
• Cung cấp khả năng đo lường ổn định trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau: Là đồng đồng hồ đo lưu lượng, được đánh là hiện đại nhất ở thời điểm hiện tại, thiết bị được tích hợp nhiều công nghệ hiện đại, các loại cảm biến kết hợp với sự hiệu chỉnh phù hợp, cho phép đồng hồ có thể làm việc được trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau, một các ổn định và tin cậy.

Ứng dụng của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Về cơ bản với chức năng và độ chính xác vượt trội trong đo lường, đồng hồ đo lưu lượng khối lượng, có thể đáp ứng được rất nhiều hệ thống, và điều kiện làm việc khác nhau. Tuy nhiên sản phẩm có giá thành rất cao, vậy nên chúng chỉ được ưu tiên sử dụng, ở trong một số hệ thống đặc biệt quan trọng, đặt ra yêu cầu cao về độ chính xác.

Thường thì những hệ thống này sẽ ảnh hưởng trực tiếp hiệu quả kinh tế, hoặc chúng là những hệ thống phối trộn các loại chất lưu, có yêu cầu cao về độ chính xác trong tỷ lệ phối trộn, các thành phần sử dụng trong hệ thống.

Một số ví dụ về ứng dụng thực tiễn của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng có thể kể đến như:

• Trong ngành dầu khí: Thiết bị này được sử dụng để đo lượng xăng, dầu khí đốt, trong quá trình mua bán và chuyển giao giữa các đơn vị làm việc với nhau. Phép đo lưu lượng khối lượng, mang lại độ tin cậy cao trong điều kiện chênh lệch về nhiệt độ, đảm bảo đơn giá của xăng, dầu, khí đốt,…
  Được lập với độ chính xác cao, đảm bảo sự minh bạch trong quá trình mua bán giữa các bên.
• Trong ngành hóa chất: Thiết bị được sử dụng để hỗ trợ người dùng kiểm soát tỷ lệ phối trộn các loại hóa chất lại với nhau một cách hiệu quả hơn, điều này có được do độ chính xác vượt trội mà thiết bị mang lại.
  Trong các ngành sản xuất liên quan đến hóa chất tỷ lệ phối trộn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất.
• Trong ngành năng lượng: Thiết bị được sử dụng để kiểm tra lượng chất lưu được sử dụng trong các hệ thống, thuộc các công đoạn khác nhau, việc đo lưu lượng với độ chính xác cao, giúp người dùng đánh giá được hiệu suất làm việc của hệ thống.
  Thông qua việc so sánh nguồn nguyên liệu sử dụng và lượng năng lượng có ích thu được, qua đó có những điều chỉnh phù hợp, để đảm bảo hệ thống làm việc với hiệu suất tốt nhất, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế.

Xem thêm sản phẩm đồng hồ đo lưu lượng hơi nóng.