Giải thích nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế khối lượng nhiệt đơn giản dễ hiểu

Trong thế giới tự động hóa công nghiệp, việc đo lường lưu lượng chất lỏng và đặc biệt là chất khí là một thách thức không hề nhỏ. Vì chúng bị nén lại dưới áp suất và giãn nở khi nhiệt độ thay đổi. Điều này có nghĩa là đo thể tích (như lít hoặc mét khối) thường không phản ánh đúng lượng vật chất thực sự đang chảy qua.

Đây là lúc lưu lượng kế khối lượng nhiệt (Thermal Mass Flowmeter – TMFM) tỏa sáng. Thay vì đo thể tích, chúng đo trực tiếp khối lượng—số lượng phân tử thực tế—chảy qua đường ống.

Vậy, chúng làm điều đó bằng cách nào? Câu trả lời nằm ở một nguyên lý vật lý mà tất cả chúng ta đều trải nghiệm hàng ngày.

Hiệu ứng “Gió Lạnh”

Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ngoài trời vào một ngày đông lạnh. Nếu trời đứng gió, bạn cảm thấy lạnh. Nhưng nếu một cơn gió thổi qua, bạn ngay lập tức cảm thấy lạnh buốt, dù nhiệt độ không khí không hề thay đổi.

Đó chính là hiệu ứng “gió lạnh”. Luồng không khí chuyển động (gió) đã “đánh cắp” hay làm tản nhiệt từ da của bạn đi nhanh hơn nhiều. Gió càng mạnh (lưu lượng khí càng lớn), bạn càng mất nhiệt nhanh.

Lưu lượng kế khối lượng nhiệt hoạt động dựa trên chính xác nguyên tắc này: Đo lường sự tản nhiệt gây ra bởi dòng chảy.

Cấu tạo bên trong Thermal mass flowmeter

Để thực hiện phép đo này, lưu lượng kế khối lượng nhiệt sử dụng hai cảm biến nhiệt độ (thường là điện trở nhiệt RTD) được đặt trong dòng chảy:

1. Cảm biến Nung Nóng (Heated thermal sensor): Cảm biến này được cấp một nguồn năng lượng (dòng điện) để luôn được nung nóng ở một nhiệt độ cố định, cao hơn nhiệt độ của dòng khí.
2. Cảm biến Tham Chiếu (Reference Sensor): Cảm biến này đơn giản là đo nhiệt độ thực tế (T_gas) của dòng khí đang chảy qua.

Mục tiêu của thiết bị là duy trì một sự chênh lệch nhiệt độ không đổi (ΔT) giữa hai cảm biến này.

Giải thích nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế khối lượng nhiệt (Chi tiết kỹ thuật)

Hầu hết các lưu lượng kế khối lượng nhiệt hiện đại hoạt động theo phương pháp Chênh lệch nhiệt độ không đổi (Constant Temperature – CT). Đây là cách nó hoạt động từng bước:

1. Trạng thái không dòng chảy (Lưu lượng = 0)

• Khi không có khí chảy qua, Cảm biến Nung Nóng chỉ mất một lượng nhiệt tối thiểu ra môi trường xung quanh.
• Bộ vi xử lý của thiết bị chỉ cần cung cấp một lượng điện nền (baseline) rất nhỏ để duy trì mức ΔT mong muốn (ví dụ: luôn nóng hơn Cảm biến Tham Chiếu 50°C).
• Lượng điện nền này được ghi nhận là điểm Zero.

2. Khi có dòng chảy (Lưu lượng > 0)

• Ngay khi khí bắt đầu chảy, các phân tử khí va chạm vào Cảm biến Nung Nóng và “đánh cắp” nhiệt lượng của nó (hiệu ứng “gió lạnh”).
• Điều này ngay lập tức làm Cảm biến Nung Nóng bị nguội đi, khiến ΔT bị giảm xuống.
• Đây là lúc điều kỳ diệu xảy ra: “Bộ não” điện tử của thiết bị (thường là một mạch Cầu Wheatstone siêu nhạy) ngay lập tức phát hiện sự mất cân bằng này.
• Để đưa ΔT trở lại mức 50°C đã cài đặt, bộ điều khiển phải tăng công suất (dòng điện) cấp cho Cảm biến Nung Nóng để bù đắp chính xác cho lượng nhiệt vừa bị dòng khí lấy đi.

3. Đọc Kết Quả

Lượng công suất (điện năng) phụ trội mà thiết bị cần dùng để duy trì ΔT không đổi tỷ lệ thuận trực tiếp với lưu lượng khối lượng của dòng khí.

• Dòng chảy chậm: Làm mát ít ⇒ Cần thêm ít công suất.
• Dòng chảy nhanh: Làm mát nhiều ⇒ Cần thêm nhiều công suất.

Thiết bị đo lường chính xác lượng công suất tiêu thụ này và ngay lập tức quy đổi nó thành đơn vị đo khối lượng như kg/h, g/s, hoặc các đơn vị thể tích tiêu chuẩn (đã được quy đổi) như SCFM, Sm³/h…

Ghi chú chuyên sâu: Nguyên tắc vật lý đằng sau mối quan hệ này được mô tả bởi Định luật King, trong đó nêu rõ rằng công suất mất đi từ một vật thể được nung nóng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của vận tốc dòng chảy nhân với mật độ của nó.

Tại sao lại là “Lưu lượng khối lượng”?

Đây là lý do công nghệ này lại vượt trội, đặc biệt là khi đo khí:

Khả năng “cuốn nhiệt” của dòng khí không phụ thuộc vào thể tích của nó, mà phụ thuộc vào số lượng phân tử thực sự va chạm vào cảm biến. Số lượng phân tử chính là khối lượng.

Hãy nghĩ xem:

• Một mét khối khí ở áp suất 1 bar có ít phân tử.
• Một mét khối khí ở áp suất 10 bar (khí nén) có nhiều phân tử hơn gấp 10 lần.

Dòng khí ở 10 bar sẽ “đánh cắp” nhiệt lượng nhiều hơn và làm mát cảm biến mạnh hơn nhiều. Lưu lượng kế khối lượng nhiệt tự động “cảm nhận” được điều này.

Kết quả là, nó đo trực tiếp lưu lượng khối lượng mà không cần thêm bất kỳ cảm biến áp suất hay nhiệt độ nào để bù trừ. Bạn có được một con số chính xác về lượng vật chất thực tế, bất kể áp suất hay nhiệt độ trong đường ống đang thay đổi.

Ưu điểm vượt trội của Lưu lượng kế khối lượng nhiệt

1. Đo Trực Tiếp Lưu Lượng Khối Lượng: Không cần tính toán hay bù trừ áp suất, nhiệt độ (với khí).
2. Độ Nhạy Cực Cao (High Turndown Ratio): Có khả năng đo chính xác từ lưu lượng cực kỳ thấp (như các dòng rò rỉ) cho đến lưu lượng rất cao.
3. Không Có Bộ Phận Chuyển Động: Không có gì quay, mòn hay kẹt. Điều này có nghĩa là độ bền rất cao và hầu như không cần bảo trì.
4. Tổn Thất Áp Suất Không Đáng Kể: Vì cảm biến thường rất nhỏ (kiểu insertion – cắm vào), chúng gần như không cản trở dòng chảy, giúp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống (ví dụ: máy nén khí).

Kết Luận: Lưu lượng kế khối lượng nhiệt là một ứng dụng thông minh của một nguyên lý vật lý cơ bản (sự tản nhiệt đối lưu). Bằng cách đo lường chính xác lượng năng lượng cần thiết để “chiến thắng” hiệu ứng gió lạnh từ dòng chảy, chúng cung cấp một phép đo lưu lượng khối lượng trực tiếp, đáng tin cậy và chính xác, khiến chúng trở thành công cụ không thể thiếu trong việc giám sát khí nén, khí đốt, khí công nghiệp và nhiều ứng dụng quan trọng khác.

Đọc thêm: