Hướng dẫn về nguyên lý, loại và ứng dụng của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

Trong quy trình kiểm soát công nghiệp ngày nay, hệ thống chuyển giao và thanh toán lưu động có khả năng đo chính xác lưu lượng khối chất lỏng là rất quan trọng để duy trì hoạt động trơn tru, cho phép phân lô chính xác trong sản xuất và thanh toán công bằng trong đo lường thương mại. Đồng hồ đo lưu lượng khối hiện là thiết bị đo lường thiết yếu trong nhiều lĩnh vực vì chúng chính xác và đáng tin cậy hơn các thiết bị đo lưu lượng thể tích (như đồng hồ đo lưu lượng tuabin, đồng hồ đo lưu lượng dịch chuyển tích cực, đồng hồ đo lưu lượng từ, v.v.). Hướng dẫn chi tiết này sẽ giới thiệu về đồng hồ đo lưu lượng khối, ưu điểm của chúng, các loại khác nhau và những ứng dụng quan trọng nhất của chúng.

Lưu lượng kế khối lượng là gì?

Lưu lượng kế khối lượng là một công cụ rất chính xác để đo lưu lượng khối lượng của chất lỏng di chuyển qua đường ống. Mặt khác, lưu lượng kế khối lượng cung cấp các phép đo khối lượng chất lỏng trực tiếp theo đơn vị lưu lượng như kg, tấn hoặc pound, không thay đổi theo nhiệt độ, áp suất, mật độ hoặc độ nhớt. Tuy nhiên, lưu lượng kế thể tích đo thể tích chất lỏng (đơn vị lưu lượng như m3/h, CFM hoặc GPM). Nhờ khả năng này, chúng rất cần thiết cho các tình huống đòi hỏi độ chính xác và tính nhất quán cao.

Có nhiều nguyên lý vật lý mà đồng hồ đo lưu lượng khối lượng hoạt động, nhưng hiệu ứng Coriolis là nguyên lý phổ biến nhất và cũng có độ chính xác cao nhất. Khi chất lỏng di chuyển qua hai ống cảm biến đo rung, nó gây ra sự dịch pha hoặc thay đổi tần số tỷ lệ thuận với lưu lượng khối lượng. Bộ truyền lưu lượng khối lượng Coriolis có thể tính toán lưu lượng khối lượng với độ chính xác cao bằng cách ghi nhận những thay đổi này.

Tại sao việc đo lưu lượng khối lượng lại quan trọng?

Trong các ứng dụng thực tế của ngành công nghiệp số, phép đo lưu lượng khối lượng tốt hơn nhiều so với phép đo thể tích vì một số lý do:

• Độ chính xác tốt hơn

Lưu lượng kế khối lượng Coriolis thường đo với độ chính xác từ ±0,1% đến ±0,2%, tốt hơn nhiều so với lưu lượng kế thể tích thông thường (ví dụ, lưu lượng kế kiểu rotameter chỉ có độ chính xác từ 1,0~1,5%). Độ chính xác cao này rất quan trọng đối với việc giao nhận, đóng gói và kiểm soát chất lượng, nơi mà ngay cả những sai sót nhỏ hoặc phép đo không chính xác cũng có thể gây ra hậu quả tiêu cực.

• Độc lập khỏi các điều kiện quy trình

Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất của chất lỏng không ảnh hưởng đến kết quả đo của cảm biến Coriolis, do đó không cần phải thực hiện các phép tính bù trừ hoặc hiệu chỉnh (ví dụ: lưu lượng kế tuabin khí EVC). Tính năng này đặc biệt hữu ích trong một số ứng dụng mà các điều kiện vận hành như áp suất hoặc nhiệt độ thường xuyên thay đổi trong quá trình đo lưu lượng khí, vì các phép đo thể tích sẽ cần các hiệu chỉnh phức tạp, làm tăng thêm độ không chắc chắn.

• Dữ liệu lưu lượng khối trực tiếp

Nhiều quy trình công nghiệp cần dữ liệu khối lượng thay vì dữ liệu thể tích. Khối lượng rất quan trọng đối với các phản ứng hóa học, việc trộn vật liệu và việc xác định lượng năng lượng cần thiết. Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng cung cấp thông tin này trực tiếp, giúp giảm sai số chuyển đổi và giúp kiểm soát quy trình dễ dàng hơn. Ví dụ, nếu lưu lượng nitơ được tính toán từ đồng hồ tua bin khí là 20 CFM, sẽ rất khó để có được giá trị mật độ chính xác để chuyển đổi sang kg/h.

• Đo lường đa thông số

Lưu lượng kế khối lượng hiện đại có thể đo nhiều thông số (đơn vị lưu lượng khối lượng) cùng một lúc, chẳng hạn như mật độ, nồng độ, độ brix và nhiệt độ. Tính đa chức năng này đồng nghĩa với việc cần ít thiết bị đo hơn, giúp giảm chi phí lắp đặt và giúp toàn bộ hệ thống dễ sử dụng hơn, đồng thời tăng độ tin cậy của phép đo.

• Sử dụng rộng rãi

Lưu lượng kế khối lượng có thể hoạt động với nhiều loại chất lỏng khác nhau, như chất lỏng, khí, bùn; ngoài ra, nó còn có thể xử lý các ứng dụng chất lỏng khó đo, như đo oxy ở nhiệt độ cực thấp, đo nitơ ở áp suất cực cao, đo nhựa đường hoặc dầu thô siêu nhớt và đo bùn khai thác có tính mài mòn cao.

Các loại lưu lượng kế khối lượng khác nhau

Có hai loại lưu lượng kế khối lượng chính dựa trên cách thức hoạt động của chúng:

Thiết bị đo lưu lượng khối trực tiếp

Máy đo lưu lượng khối lượng trực tiếp đo lưu lượng khối lượng mà không cần phải thực hiện bất kỳ phép tính hoặc chuyển đổi bổ sung nào:

• Đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis

Đồng hồ Coriolis là loại đồng hồ đo lưu lượng khối lượng trực tiếp phổ biến nhất. Chúng sử dụng nguyên lý hiệu ứng Coriolis. Khi chất lỏng di chuyển qua một hoặc nhiều ống rung, lực Coriolis gây ra những thay đổi về pha hoặc tần số có thể đo được. Những đồng hồ này rất chính xác (thường là ±0,1% hoặc tốt hơn), có thể đo cả chất lỏng và chất khí, và cũng có thể đo tỷ trọng cùng lúc. Chúng hoàn hảo cho việc vận chuyển, phân mẻ chính xác và đo chất lỏng có giá trị cao.

• Đồng hồ đo lưu lượng nhiệt

Đồng hồ đo nhiệt sử dụng nguyên lý truyền nhiệt để xác định lưu lượng khối lượng bằng cách đo nhiệt lượng mà chất lỏng đang chảy mang đi. Chúng được dùng để đo khí và đặc biệt phổ biến trong sản xuất chất bán dẫn, giám sát khí tự nhiên và hệ thống khí nén. Những đồng hồ này có giá thành rẻ khi sử dụng cho khí và không cần bảo trì nhiều.

Đo lưu lượng khối gián tiếp

Máy đo lưu lượng khối gián tiếp tính toán lưu lượng khối bằng cách đo cả lưu lượng thể tích và mật độ:

• Lưu lượng kế thể tích có bù mật độ

Đo lưu lượng hơi gián tiếp bằng lưu lượng kế xoáy

Phương pháp này sử dụng một máy đo tỷ trọng riêng biệt và một máy đo lưu lượng thể tích, chẳng hạn như máy đo tuabin, máy đo xoáy hoặc máy đo điện từ. Để tìm lưu lượng khối lượng, hãy nhân lưu lượng thể tích với mật độ. Giải pháp này có thể không chính xác bằng phương pháp trực tiếp, nhưng có thể tiết kiệm hơn cho một số mục đích sử dụng.

• Đồng hồ đo lưu lượng chênh lệch áp suất có bù

Đồng hồ đo lưu lượng chênh lệch áp suất

Bạn có thể cải tiến các đồng hồ đo lưu lượng DP truyền thống (như tấm lỗ, ống V-cone, ống hình khuyên và ống Venturi) bằng cách bổ sung cảm biến nhiệt độ RTD và cảm biến áp suất để bù trừ nhằm ước tính lưu lượng khối. Các hệ thống này rất phổ biến và có lịch sử lâu đời, nhưng thường không chính xác bằng đồng hồ đo lưu lượng khối trực tiếp. Tuy nhiên, nó vẫn có nhiều ứng dụng rộng rãi, chẳng hạn như đo khí thiên nhiên áp suất cao và đo lưu lượng hơi nước quá nhiệt.

Lưu lượng kế gián tiếp rẻ hơn nhiều, nhưng thường kém chính xác và đáng tin cậy hơn so với phương pháp đo trực tiếp. Chúng cũng cần bảo trì nhiều hơn vì có nhiều cảm biến hơn để đo kết quả.

Ứng dụng của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng

• Ứng dụng trong Đo lường và Kiểm soát Quy trình

Lưu lượng kế khối lượng Coriolis được sử dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi định lượng chính xác và kiểm soát quy trình nghiêm ngặt. Trong ngành công nghiệp hóa chất, chúng theo dõi nguyên liệu đầu vào để đảm bảo các phản ứng có đủ lượng hóa chất khác nhau. Trong ngành dầu khí, chúng được sử dụng để đo dầu thô, khí tự nhiên, LPG cho mục đích thương mại. Ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm cũng phụ thuộc vào chúng để kiểm soát chặt chẽ việc bổ sung các thành phần quan trọng hoặc đắt tiền như đường, hương liệu và hoạt chất.

• Sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt và chất lỏng phức tạp

Lưu lượng kế khối lượng Coriolis rất hiệu quả trong việc xử lý các chất lỏng phức tạp và khó đo. Thiết bị đo chính xác các chất lỏng phi Newton, chất lỏng có bọt khí và chất lỏng có độ nhớt cực cao, như dầu thô, nhựa thông, mật mía hoặc bột sô cô la. Đây là những loại chất lỏng mà các lưu lượng kế khác thường không xử lý được. Ngoài ra, thiết bị hoạt động rất tốt trong các điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, chẳng hạn như đo lưu lượng sáp, propan đông lạnh, bùn khoan, lưu huỳnh lỏng, v.v. Thiết kế cảm biến lưu lượng khối lượng, không có vùng chết và không có bộ phận chuyển động, giúp dễ dàng vệ sinh và đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh nghiêm ngặt cho các ứng dụng vệ sinh như vận chuyển sữa hoặc dược phẩm sinh học qua đường ống.

• Sử dụng trong việc đo lường các thông số có nguồn gốc và tiết kiệm tiền

Lưu lượng kế khối lượng Coriolis không chỉ đo lưu lượng khối lượng. Chúng còn đo mật độ và nhiệt độ chất lỏng. Tính năng bổ sung này mở rộng đáng kể phạm vi sử dụng, cho phép đo gián tiếp các yếu tố quan trọng như nồng độ chất lỏng, độ tinh khiết của cồn, hàm lượng đường (Brix) hoặc nồng độ axit sunfuric, nghĩa là bạn không cần nhiều cảm biến riêng biệt.