Cảm biến lưu lượng là gì? Nguyên lý, phân loại và ứng dụng

Cảm biến lưu lượng nước và các chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong môi trường sản xuất và công nghiệp, giúp đo lường và kiểm tra lưu lượng chất lỏng chính xác, từ đó đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả nhất. Bài viết trình bày cảm biến lưu lượng là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách phân loại và ứng dụng của các cảm biến lưu lượng này.

1. Cảm biến lưu lượng là gì?

Cảm biến lưu lượng (flow sensor) là một loại thiết bị điện tử có khả năng đo và điều chỉnh tốc độ dòng chảy của chất lỏng hoặc khí trong các ống dẫn. Chúng thường được kết hợp với đồng hồ đo để hiển thị kết quả đo hoặc với mạch điện tích hợp để tạo tín hiệu đầu ra, cung cấp thông tin cho các hệ thống điều khiển. Cảm biến lưu lượng có khả năng phát hiện sự rò rỉ, tắc nghẽn, hoặc vỡ đường ống, cũng như thay đổi nồng độ của chất lỏng do sự nhiễm bẩn hoặc ô nhiễm. Điều này giúp cho việc theo dõi và điều khiển quá trình dòng chảy trở nên hiệu quả và đáng tin cậy hơn. Cảm biến này thường được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hệ thống điều hòa không khí (HVAC), thiết bị y tế, nhà máy hóa chất và hệ thống xử lý nước.

Cảm biến lưu lượng lắp trên đường ống dẫn chất lỏng — Cảm biến lưu lượng là gì

Thông thường tốc độ dòng chảy được đo bằng đơn vị lít hoặc mét khối/giờ.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lưu lượng

Thiết bị cảm biến đo lưu lượng nước có cấu tạo bao gồm ba phần chính: một van nhựa cho phép dòng chất lỏng chảy qua, một roto nước và một cảm biến hiệu ứng Hall để xác định hướng và đo lưu lượng nước. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị này là khi nước chảy qua roto, nó làm cho roto quay. Khi roto quay, tốc độ quay đó sẽ tạo ra sự thay đổi trong điện áp, được đo bởi cảm biến hiệu ứng Hall. Điều này cho phép chúng ta đo chính xác tốc độ dòng chảy nước. Hiệu ứng Hall là nguyên lý hoạt động chính của cảm biến lưu lượng. Khi roto quay, điện áp sẽ thay đổi trong dây dẫn, và sự thay đổi này sẽ là theo hướng vuông góc với dòng điện chảy qua. Khi quạt quay khi có nước chảy qua, nó tạo ra điện áp, và cảm biến hiệu ứng Hall sẽ đo điện áp này, sau đó hiển thị kết quả lên màn hình LCD của thiết bị.

Cấu tạo cảm biến lưu lượng nước với roto và cảm biến Hall — Nguyên lý hoạt động của cảm biến lưu lượng

Cảm biến đo lưu lượng nước có khả năng hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm nước nóng, nước lạnh, nước ấm, nước sạch hoặc nước bẩn. Chúng cũng có sẵn với nhiều kích cỡ đường kính ống dẫn và phạm vi tốc độ dòng chảy khác nhau. Thiết bị này dễ dàng tích hợp và giao tiếp với các bộ vi điều khiển như Arduino thông qua bảng vi điều khiển Arduino để xử lý dữ liệu. Nó bao gồm cảm biến lưu lượng nước hiệu ứng Hall, màn hình LCD 16x2 và dây kết nối Breadboard để thuận tiện trong việc sử dụng và quan sát.

3. Phân loại cảm biến lưu lượng theo cấu tạo đo lường

3.1 Cảm biến lưu lượng tiếp xúc

Có hai loại phổ biến của cảm biến lưu lượng tiếp xúc, đó là cảm biến lưu lượng xoáy và cảm biến lưu lượng cơ học.

Cảm biến lưu lượng xoáy bao gồm một chốt uốn cong về phía trước và sau khi tiếp xúc với chất lỏng hoặc khí đang chảy. Sự khác biệt về áp suất, còn được gọi là xoáy, do chốt tạo ra được đo để xác định tốc độ dòng chảy.
Cảm biến lưu lượng cơ học sử dụng cánh quạt quay với tốc độ tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy. Cảm biến lưu lượng cơ học cũng có khả năng điều khiển để điều chỉnh tốc độ dòng chảy theo nhu cầu.

Cảm biến lưu lượng tiếp xúc kiểu cánh quạt — Cảm biến lưu lượng tiếp xúc

3.2 Cảm biến lưu lượng không tiếp xúc

Cảm biến lưu lượng siêu âm là loại cảm biến lưu lượng không tiếp xúc phổ biến nhất. Cảm biến dòng siêu âm gửi các xung âm thanh tần số cao qua môi trường chất lỏng hoặc khí đang chảy. Các cảm biến này đo thời gian từ khi phát ra âm thanh đến khi âm thanh tiếp xúc với bộ thu của cảm biến để xác định tốc độ dòng chảy của khí hoặc chất lỏng. Điều này giúp cảm biến lưu lượng siêu âm thực hiện đo lường một cách chính xác và không gây ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng hoặc khí.

Cảm biến lưu lượng siêu âm không tiếp xúc kẹp ngoài ống — Cảm biến lưu lượng không tiếp xúc

4. Phân loại cảm biến lưu lượng theo nguyên lý hoạt động

Cảm biến lưu lượng có thể được chia thành ba loại chính dựa trên nguyên lý hoạt động của chúng:

4.1. Cảm biến lưu lượng thể tích

Cảm biến lưu lượng thể tích, còn gọi là cảm biến Hall sensor, thực hiện đo trực tiếp thể tích của chất lỏng khi chất lỏng đi qua thiết bị. Cảm biến này là loại duy nhất trong các loại lưu lượng cảm biến thực hiện đo trực tiếp tốc độ dòng chảy bằng cách theo dõi sự quay của roto (bánh xe turbin). Cảm biến lưu lượng thể tích bao gồm một van cho phép chất lỏng đi qua, một roto và cảm biến từ Hall, cùng với bộ chỉ thị hiển thị kết quả đo.

Cảm biến lưu lượng thể tích dùng cảm biến Hall — Cảm biến Hall Sensor

4.2. Cảm biến lưu lượng khối

Cảm biến lưu lượng khối, còn được gọi là cảm biến Coriolis, đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của chất lỏng đi qua ống dẫn. Cảm biến này thường có hai ống cong, trong đó chất lỏng tách ra và di chuyển trong hai ống đối nghịch pha. Hiệu ứng Coriolis dẫn đến sự lệch pha của sóng sin, và sự lệch thời gian quan sát giữa hai sóng sin này được sử dụng để xác định tốc độ dòng chảy.

Cảm biến lưu lượng khối Coriolis với hai ống cong — Cảm biến Coriolis

4.3. Cảm biến lưu lượng vận tốc

Cảm biến lưu lượng vận tốc sử dụng sóng siêu âm để đo vận tốc dòng chảy. Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu sóng siêu âm. Bộ phát gửi sóng siêu âm vào chất lỏng, và khi sóng này phản xạ và trở về bộ thu, sự sai lệch về tần số Doppler được sử dụng để đo vận tốc của chất lỏng. Mỗi loại cảm biến lưu lượng có ứng dụng và ưu điểm riêng biệt. Cảm biến lưu lượng thể tích thích hợp cho việc đo các loại chất lỏng khác nhau và có độ chính xác cao. Cảm biến lưu lượng khối thường được sử dụng để đo lưu lượng khối lượng trong các ứng dụng như ô tô. Cảm biến lưu lượng vận tốc sử dụng sóng siêu âm và thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi đo lưu lượng trong môi trường sạch.

5. Ứng dụng của cảm biến lưu lượng là gì

Cảm biến lưu lượng nước có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của chúng:

Quản lý nước sạch: Cảm biến lưu lượng nước được sử dụng để đo và kiểm soát lượng nước cung cấp và sử dụng trong hệ thống cung cấp nước đô thị và nhà máy xử lý nước.
Ngành thực phẩm và đồ uống (F&B): Trong ngành F&B, cảm biến lưu lượng được ứng dụng để đo và kiểm soát lưu lượng các chất lỏng như nước cafe, nước ngọt và nước sinh hoạt trong các quy trình sản xuất.
Công nghiệp hóa chất: Cảm biến lưu lượng dòng chảy được sử dụng để kiểm soát dòng chảy của các chất lỏng như dầu nhớt, dung dịch ăn mòn và các hạt độc hại trong quá trình sản xuất và xử lý hóa chất.
Ứng dụng gia đình: Trong cuộc sống hàng ngày, cảm biến lưu lượng nước nhỏ có thể được sử dụng trong máy nóng lạnh, máy chiết rót, máy lọc nước gia đình và bơm bể cá mini để kiểm soát và quản lý việc sử dụng nước.
Công nghiệp và sản xuất: Trong lĩnh vực công nghiệp, các hệ thống bơm và xử lý nước thường cần sử dụng cảm biến lưu lượng để đảm bảo vận hành hiệu quả và theo dõi lưu lượng chất lỏng trong các quy trình sản xuất.
Xử lý nước thải: Cảm biến lưu lượng được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải để đo và kiểm soát lưu lượng nước thải và đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường.
Phòng cháy chữa cháy: Trong hệ thống phòng cháy chữa cháy, cảm biến lưu lượng được sử dụng để theo dõi và kiểm soát lưu lượng nước trong các ống dẫn nước và hệ thống cấp nước chữa cháy.
Sản xuất năng lượng: Trong các nhà máy sản xuất năng lượng, cảm biến lưu lượng được sử dụng để đo và kiểm soát lưu lượng nước và hơi nước trong quá trình sản xuất điện và nhiệt.
Theo dõi lưu lượng xả trong các thùng chứa: Cảm biến lưu lượng được sử dụng để theo dõi và kiểm soát lưu lượng xả trong các thùng chứa và hệ thống xả.

Tổng kết, cảm biến lưu lượng nước đóng vai trò quan trọng trong đo và kiểm soát lưu lượng chất lỏng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến cuộc sống hàng ngày. Chúng cung cấp sự chính xác và hiệu quả, đảm bảo quy trình hoạt động một cách đáng tin cậy và đóng góp vào bảo vệ môi trường và an toàn trong nhiều ứng dụng khác nhau. Cảm biến lưu lượng nước là một phần quan trọng của sự phát triển và tiến bộ trong nhiều ngành công nghiệp và cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Chọn thiết bị cho hệ thống giám sát cảm biến lưu lượng

Trong trạm bơm, nhà máy nước hay dây chuyền chiết rót, tín hiệu xung hoặc 4–20 mA từ cảm biến lưu lượng được gom về một máy tính để tính tổng lượng, vẽ đồ thị và cảnh báo rò rỉ. Máy đặt gần đường ống nên thường gặp ẩm và nước bắn. Kỹ sư IPC247 gợi ý ba tiêu chí:

Nếu cần màn hình thao tác ngay tại chỗ, chọn Panel PC vỏ kín, không quạt. Panel PC KLD-1061B vỏ thép không gỉ SUS304, chống thấm nước, chịu được môi trường có dầu và hóa chất trong xưởng thực phẩm, thủy sản.
Nếu chỉ cần máy gom dữ liệu trong tủ điện, chọn máy nhỏ, không quạt, có cổng LAN và COM để nối module I/O. Advantech UNO-2271G có 2 cổng LAN, tùy chọn 2 cổng RS-232/422/485.
Dải nhiệt hoạt động rộng và nguồn 9–36 V DC nếu tủ đặt ngoài trời. Xem nhóm máy tính công nghiệp không quạt.

Để lọc máy theo chuẩn IP, nhiệt độ và số cổng, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến lưu lượng

Flow sensor là gì?

Flow sensor là tên tiếng Anh của cảm biến lưu lượng, thiết bị đo tốc độ dòng chảy của chất lỏng hoặc khí đi qua một đoạn ống. Cảm biến đưa ra tín hiệu xung, điện áp hoặc dòng 4–20 mA tỷ lệ với lưu lượng để bộ điều khiển hoặc đồng hồ hiển thị đọc được.

Lưu lượng là gì?

Lưu lượng là lượng chất lỏng hoặc khí đi qua một tiết diện trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng thể tích tính bằng lít/phút hoặc m³/giờ; lưu lượng khối lượng tính bằng kg/giờ. Đồng hồ nước gia đình đo lưu lượng thể tích; cảm biến Coriolis đo lưu lượng khối lượng.

Cảm biến lưu lượng nước hoạt động như thế nào?

Loại phổ biến dùng một roto cánh quạt đặt trong dòng nước và một cảm biến hiệu ứng Hall. Nước chảy làm roto quay, nam châm trên roto đi qua cảm biến Hall tạo ra xung điện. Số xung trong một giây tỷ lệ với lưu lượng, bộ điều khiển đếm xung để tính ra lít/phút.

Flow transmitter khác flow sensor ở điểm nào?

Flow sensor là phần tử cảm nhận dòng chảy và cho tín hiệu thô như xung hoặc điện áp nhỏ. Flow transmitter gồm cảm biến cộng mạch xử lý, chuyển kết quả thành tín hiệu chuẩn công nghiệp 4–20 mA, Modbus hoặc HART để truyền xa về PLC, SCADA. Trong nhà máy, thiết bị lắp trên đường ống thường là transmitter.

Chọn cảm biến lưu lượng theo tiêu chí nào?

Cần xác định loại lưu chất (nước sạch, nước thải, hóa chất, khí), đường kính ống, dải lưu lượng cần đo, nhiệt độ và áp suất làm việc. Tiếp theo là loại tín hiệu ra phù hợp với bộ điều khiển và yêu cầu vệ sinh nếu dùng trong thực phẩm, dược phẩm. Lưu chất ăn mòn hoặc có hạt rắn nên chọn loại không tiếp xúc như siêu âm hoặc điện từ.

Cảm biến lưu lượng là gì? Phân loại và Ứng dụng cảm biến lưu lượng