Cảm biến Coriolis đo khối lượng vật liệu dạng hạt thể rắn

Hiệu ứng Coriolis được ứng dụng để tạo ra cảm biến Coriolis đo trực tiếp lưu tốc khối lượng của các hạt/bột liệu. Cảm biến đo khối lượng Coriolis được dùng rộng rãi trong các ứng dụng cấp và định lượng liệu, định lượng và pha trộn liệu, xác định khối lượng liệu nhập/xuất cho các quá trình liên tục cũng như gián đoạn. Cảm biến đo trực tiếp lưu tốc khối lượng Coriolis có độ chính xác cao, hoạt động tin cậy ổn định, lắp đặt đơn giản và bảo trì dễ dàng với chi phí rất thấp.

I. Đặt vấn đề

Trong sản xuất công - nông nghiệp và đời sống sinh hoạt hàng ngày, việc xác định khối lượng của các loại vật liệu ở dạng hạt thể rắn luôn đóng một vai trò hết sức quan trọng. Có nhiều loại vật liệu dạng hạt thể rắn cần phải được xác định khối lượng một cách chính xác nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra đúng theo yêu cầu, đó là quá trình cân định lượng thạch cao, đá vôi, đất sét, bột than … để sản xuất ra clinker/xi măng; đó là quá trình cân xi măng để đóng bao, để bán cho khách hàng xe bồn; hay quá trình xuất nhập gạo, ngô; hay quá trình định lượng cát, đá, sỏi … để sản xuất bê tông tươi; … Đặc điểm chung của quá trình này là cần phải có thiết bị đo để xác định chính xác tổng khối lượng của các loại vật liệu dạng hạt thể rắn này (sau đây gọi chung là hạt liệu).

Phương pháp xác định khối lượng hạt liệu thủ công là sử dụng bàn cân/thùng cân với cơ cấu cân đối trọng cơ khí. Ngày nay, trong đa phần các dây chuyền sản xuất hiện đại đều sử dụng thiết bị đo chỉ thị điện tử với bộ phận chính là cảm biến khối lượng loadcell. Phương pháp cân sử dụng cảm biến loadcell được ứng dụng rất rộng rãi và là phương pháp xác định khối lượng khá hiệu quả, tuy nhiên độ chính xác không cao, chịu nhiều tác động bởi nhiễu, phụ thuộc lớn vào kết cấu bàn cân/mặt cân. Trong khi đó phương pháp đo khối lượng hạt liệu sử dụng thiết bị đo lưu tốc khối lượng trực tiếp theo nguyên lý Coriolis, lại tỏ rõ tính hiệu quả, đơn giản trong lắp đặt và sử dụng.

Cảm biến khối lượng Coriolis hoạt động theo nguyên lý Coriolis, đo trực tiếp tỷ trọng, lưu tốc khối lượng và nhiệt độ của hạt liệu khi nó đi qua ống đo. Đây là phương pháp/thiết bị đo tiên tiến được áp dụng ngày càng rộng rãi trong ngành công nghiệp dược phẩm, hóa chất, dầu khí và vật liệu xây dựng, cũng như công – nông nghiệp chế biến sản xuất.
Bài báo này trình bày khái quát về đặc điểm nguyên lý của cảm biến đo khối lượng hạt liệu theo nguyên lý Coriolis và một số ứng dụng cảm biến Coriolis trong lĩnh vực công - nông nghiệp cũng như ưu điểm và nhược điểm của nó.

II. Cảm biến đo khối lượng Coriolis

Nguyên lý đo Coriolis được phát triển dựa trên hiện ứng Coriolis do nhà khoa học người Pháp Gaspard Gustave de Coriolis phát hiện ra vào năm 1835. Hiệu ứng lực Coriolis xuất hiện trong bất kỳ hệ quay nào (hình 1): khi hạt liệu chuyển động trong cánh dẫn hướng của bánh công tác quay quanh trục chính thì trên hạt liệu đó xuất hiện lực Coriolis. Lực Coriolis là ngoại lực nên nó làm cho hạt liệu chuyển động dọc theo cánh dẫn hướng trên bánh công tác. Lực Coriolis tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy hạt liệu. Cũng cần lưu ý rằng mối quan hệ giữa lực Coriolis và lưu tốc khối lượng hạt liệu là độc lập với hầu hết các biến quá trình khác như mật độ hạt, hệ số ma sát, độ ẩm hạt liệu.

Nguyên lý đo Coriolis cung cấp một giải pháp đơn giản để đo lưu tốc khối lượng, tổng khối lượnghạt liệu trong các ứng dụng quá trình công nghiệp. Hình 1 trình bày cấu trúc cơ bản các thành phần của cảm biến đo khối lượng hạt liệu theo nguyên lý Coriolis, bao gồm:

+ Cơ cấu đo kiểu bàn quay/bánh công tác (measuring impeller) quay quanh trục (shaft+bearing) của hình nón dẫn hướng (deflection cone) với các cánh dẫn hướng thẳng đứng bố trí xung quanh trục của hình nón.

+ Các bánh công tác gắn với một trục quay kéo dài nối đến động cơ và cơ cấu đo tốc độ

+ Điều khiển quay trục bằng động cơ điện xoay chiều, ở đây cũng có thêm cơ cấu đo mô men xoắn của trục quay

+ Một thiết bị điều khiển được sử dụng để thu nhận thông tin đo của tốc độ và mô men xoắn trục quay, sau đo xuất ra tín hiệu điều khiển trục quay phù hợp.

Hình 1: Cấu tạo của cảm biến đo khối lượng hạt liệu theo nguyên lý Coriolis

Khi cảm biến hoạt động, động cơ quay làm quay trục chính và làm cho các bánh công tác quay với tốc độ góc không đổi. Dòng hạt liệu từ đầu vào cảm biến, qua nón dẫn hướng đến các bánh công tác. Khi hạt liệu chuyển động dọc theo các cánh dẫn hướng, chúng được gia tốc theo hướng quay tròn. Như thể hiện ở hình 1, chuyển động quay tròn của bánh công tác gây ra bởi 3 lực: ly tâm (Fz), ma sát (Fn), Coriolis (Fc). Lực ly tâm tác động hướng bán kính. Lực ma sát tác động ngược và cân bằng với lực ly tâm. Lực Coriolis tác động theo hướng tiếp tuyến và sinh ra một momen có thể đo được, lực này tỷ lệ trực tiếp với lưu tốc khối lượng hạt liệu khi các bánh công tác quay quanh trục chính.

Một bộ vi xử lý phân tích tín hiệu momen này và tính toán liên tục để đưa ra lưu tốc dòng hạt liệu chảy qua cảm biến. Một cảm biến tốc độ cũng được tích hợp vào hệ thống để theo dõi chính xác tốc độ góc quay của bánh công tác.

Đầu vào trục quay hộp số nối cứng với trục quay chính sẽ nhận năng lượng bằng năng lượng các hạt liệu truyền cho các cánh dẫn hướng: 
dE,òdt=wMò E=
trong đó: E là năng lượng  là vận tốc góc quay, dt là thời gian, dE là sự thay đổi năng w được truyền đến hạt liệu, M là momen xoắn,  lượng.

Ta thấy momen M phụ thuộc vào lực Coriolis, tỷ lệ trực tiếp với lưu tốc khối lượng Q. Do đó bằng cách đo momen, cho phép ta xác định được chính xác lưu tốc khối lượng hạt liệu và tổng khối lượng hạt liệu đã chảy qua. Công nghệ đo này đảm bảo lực ma sát giữa hạt liệu và bánh công tác đo hay giữa các lớp tiếp xúc của hạt liệu không ảnh hưởng đến lưu tốc khối lượng đo lường. Hơn nữa, đặc điểm vật lý của hạt liệu như tỷ trọng, ma sát hệ số va chạm, kích cỡ hạt liệu, độ ẩm không ảnh hưởng đến độ chính xác và độ nhạy của thiết bị đo khối lượng Coriolis. Sự thay đổi lưu tốc dòng chảy hạt liệu trong khoảng xác định không làm ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo, đảm bảo kết quả đo có độ chính xác lặp lại cao. Thiết bị đo khối lượng Coriolis cũng không chịu ảnh hưởng của nhiễu ngoài như gió, rung động ngoài, các tiếp xúc vật lý với thân cảm biến, dẫn đến yêu cầu lắp đặt đơn giản và độ tin cậy thiết bị cao. Các thành phần của thiết bị này hoàn toàn nằm trong vỏ bảo vệ/cách ly bụi bẩn nên hầu như không cần bảo trì bảo dưỡng.

III. Hiệu chuẩn và tính toán trừ bì

Đối với cảm biến đo khối lượng Coriolis, để thu thập số liệu khối lượng ta chỉ cần tinh chỉnh lại lưu lượng, hiệu chuẩn ống đo. Điều này là do lưu lượng đo của cảm biến rất gần với lưu lượng lý thuyết tính toán, tức là sự tính toán lưu tốc đo sẽ cung cấp cho một dải lưu khối xác định.

Ngoài hiệu chuẩn, việc tính toán trừ bì hay xóa số đo về 0 khi không có dòng chảy hạt liệu để loại bỏ các tín hiệu đo nhỏ có thể xuất hiện khi không có hạt liệu chạy qua ống đo. Tuy nhiên có nhiều loại ống đo dễ bị hạt liệu bám dính nên cần phải thường xuyên vệ sinh làm sạch ống đo. Cảm biến khối lượng Coriolis có khối lượng bì ổn định trong suốt quá trình đo. Cảm biến khối lượng Corioliskhông phù hợp với các hạt liệu có độ bám dính cao như một số bột hóa chất titanium dioxide, canxi cacbonat … bởi vì chúng có thể bám dính vào các bánh xe công tác của cơ cấu đo, gây nên sai số lớn.

IV. Ứng dụng của cảm biến đo khối lượng Coriolis

Cảm biến đo khối lượng Coriolis có thể áp dụng cho hầu như tất cả các loại vật liệu dạng hạt/bột: vật liệu qua máy nghiền, bụi, bột và hạt bao gồm xi măng, thạch cao, vữa stucco, tro bay, bụi lọc, vôi bột và khí, bụi than, đất xỉ, đất sét, tro đất …cũng như các hạt sản phẩm nông nghiệp như hạt gao, hạt ngô, hạt thóc, hạt đỗ
Đo khối lượng dòng chảy liên tục

Cảm biến với thiết kế hiện tại có thể xử lý lưu tốc hạt liệu cấp đến cảm biến từ 0.5 tấn/giờ lên đến 300tấn/giờ. Cảm biến đo khối lượng Coriolis có thể được lắp đặt trong một đường dẫn dòng hạt liệu liên tục của một phễu chứa hạt rắn khô. Một sự lắp đặt điển hình là giữa đầu ra của một silo lưu trữ và đầu vào máy pha trộn hoặc máy nghiền. Cảm biến Coriolis có thể liên tục chỉ thị tốc độ dòng chảy vật chất tức thời, theo dõi quá trình và kích hoạt hệ thống cảnh báo như tốc độ dòng chảy tối thiểu/tối đa. Các thiết bị cấp liệu liên tục có thể phục vụ như thiết bị slave với cảm biến Coriolis được sử dụng để xác định tỷ lệ thành phần thêm vào cho quá trình pha trộn, pha chế, …

Chất lượng đo được thử nghiệm với thạch cao [1], là sự tổng hợp của nhiều mẫu ngẫu nhiên khi sử dụng các loại cảm biến Coriolis của các hãng khác nhau. Theo [1] trọng lượng mục tiêu ban đầu cho nhà máy là 9.4kg/m2 và có thể được trình bày trên đồ thị hình 2a, tất cả các mẫu đều nằm trong khoảng ± 1.0% (hầu hết trong khoảng ± 0.5%) giá trị mục tiêu này. Kinh nghiệm trước đây tại các nhà máy này, với cùng lưu lượng cấp như cảm biến Coriolis thì độ chính xác đạt được khoảng ± 10.0% giá trị mục tiêu. Như vậy, có thể thấy việc áp dụng cảm biến Coriolis đã mang lại độ chính xác cao hơn nhiều và giúp cải thiện chất lượng sản phẩm của dây chuyền sản xuất đầu ra.

Điều khiển mẻ và tính tổng khối lượng liệu

Cảm biến Coriolis có thể được dùng để tính tổng khối lượng hạt liệu chạy qua ống đo cho quá trình điều khiển mẻ, hay quá trình xuất nhập liệu. Hình 2b trình bày một hệ thống xuất bán xi măng sử dụng cảm biến khối lượng Corioli. Một máy cấp khối lượng thành phần phụ gia cũng được sử dụng trong ứng dụng này với một tỷ lệ xác định so với thành phần hạt liệu. Cảm biến đo Coriolis cung cấp đồng nhất hiệu quả hai loại vật liệu này.

Hình 2: Kết quả đo thạch cao bằng cảm biếnCoriolis

Cấp liệu liên tục và pha trộn liệu

Kết hợp với các thiết bị cấp liệu vít tải (như cơ cấu cấp vít vải, cơ cấu cấp vít quay, cơ cấu cấp pitton hay cơ cấu cấp sao đứng) cảm biến Coriolis được sử dụng để xác định chính xác khối lượngliệu đã cấp trong hệ thống này. Trong ứng dụng này, lưu tốc đo được bằng cảm biến được so sánh với giá trị đặt và một thiết bị vít tải có thể điều chỉnh tốc độ cấp được điều chỉnh liên tục để đáp ứng yêu cầu tốc độ dòng chảy cấp liệu trong hệ thống. Bằng cách tách biệt  thiết bị đo và thiết bị vit tải, thiết bị cấp tối ưu có thể được chọn cho hạt liệu xác định.

Hình 3: Cấp liệu sử dụng cảm biếnCorioliskết hợp cấp liệu vit tải

Độ chính xác của cảm biến đo khối lượng Coriolis

Độ chính xác điển hình của cảm biến đo khối lượng Coriolis lớn hơn ±0.5% lưu tốc khối lượngthực tế cấp liệu vào cảm biến đo, dựa trên một dải đo xác định. Theo [2] với thiết bị đo hạt liệu chuyên dụng trong ngành xi măng MULTUDIOS cho phép đạt độ chính xác là ±1% trong dải lưu tốc 1:10 (lưu tốc lớn nhất có thể đạt 665 m3/giờ), còn với MULTICOR S cho phép đạt độ chính xác là ±0.5% trong dải lưu tốc 1:10 (lưu tốc lớn nhất có thể đạt 120 m3/giờ)

Kết luận

Nguyên tắc đo Coriolis đã được áp dụng thành công để đo chính xác lưu tốc và khối lượng cũng như đáp ứng được các tỷ lệ thành phần của các loại hạt liệu cần kiểm soát như thạch cao, vữa, tro bay và nhiều chất rắn khác trong các quá trình ứng dụng sản xuất công - nông nghiệp. Cảm biến Coriolis đo trực tiếp lưu tốc khối lượng của hạt liệu khi nó chảy qua mà không bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của hạt liệu cũng như các nhiễu bên ngoài. Cảm biến Coriolis có thể được sử dụng để đo liên tục dòng chảy chảy hạt liệu, tính tổng khối lượng hạt liệu cho mẻ điểu khiển quá trình và cấp liên tục liệu cho các ứng dụng yêu cầu nào đó. Cảm biến Coriolis rất đơn giản tronglắp đặt/cài đặt, hoạt động tin cậy và bảo trì ít với chi phí rất thấp