Lưu lượng kế khối nhiệt: nguyên lý, ứng dụng đo khí

Đo lưu lượng khí khó hơn đo nước vì khí bị nén: cùng một thể tích nhưng ở áp suất, nhiệt độ khác nhau thì khối lượng khí khác nhau. Lưu lượng kế cơ học hay vortex đo thể tích thực, muốn ra Nm³/h phải cộng thêm cảm biến áp suất, nhiệt độ và bộ tính bù. Lưu lượng kế khối nhiệt (thermal mass flowmeter) giải quyết chuyện này bằng cách đo thẳng lưu lượng khối, nên được dùng rất nhiều để đo khí nén, khí thiên nhiên cấp lò hơi, biogas và khí cấp bể hiếu khí.

Nguyên lý: đo lượng nhiệt mà dòng khí mang đi

Đầu dò có hai cảm biến nhiệt điện trở (RTD) bằng platin. Một cảm biến đo nhiệt độ khí làm chuẩn, cảm biến còn lại được cấp nhiệt để luôn nóng hơn khí một khoảng cố định. Khí chảy qua càng nhiều thì càng lấy đi nhiều nhiệt, mạch điện phải cấp thêm công suất để giữ chênh lệch nhiệt độ. Công suất cấp nhiệt này tỷ lệ với số phân tử khí đi qua, tức là lưu lượng khối.

Vì lượng nhiệt bị lấy đi phụ thuộc vào số phân tử chứ không phụ thuộc thể tích, kết quả đọc ra trực tiếp ở đơn vị chuẩn như Nm³/h, SCFM hoặc kg/h mà không cần cảm biến áp suất, nhiệt độ riêng.

Khi nào nên chọn lưu lượng kế khối nhiệt

Khí sạch, khô, thành phần ổn định: khí nén, nitơ, oxy, argon, CO₂, khí thiên nhiên, biogas đã tách ẩm.
Lưu lượng thay đổi rộng: dải đo thường tới khoảng 100:1, đo được cả lúc nhà máy chạy ít tải, phát hiện rò rỉ ban đêm.
Ống lớn, tổn thất áp thấp: kiểu cắm (insertion) lắp qua một lỗ ren trên ống, gần như không gây sụt áp, phù hợp đường ống khí nén chính, ống gió.
Cần tính chi phí theo khu vực: chia hóa đơn khí nén, gas theo xưởng, theo dây chuyền.

Không nên dùng cho khí ẩm có nước ngưng (giọt nước bám vào đầu dò làm số đo nhảy), khí có thành phần thay đổi liên tục mà không cài lại hệ số, hay chất lỏng. Với hơi nước bão hòa nên dùng lưu lượng kế xoáy (vortex).

So sánh nhanh với các kiểu đo khí khác

Tiêu chí	Khối nhiệt	Vortex, chênh áp
Đại lượng	Khối	Thể tích
Bù P, T	Không cần	Cần
Dòng nhỏ	Tốt	Kém
Sụt áp	Rất thấp	Vừa đến cao
Khí ẩm, bẩn	Không hợp	Chịu được

Lắp đầu dò kiểu cắm đúng cách

Đoạn ống thẳng: càng dài càng tốt, tham khảo khoảng 15D phía trước và 5D phía sau; sau co, van, thu nhỏ ống cần dài hơn hoặc dùng bộ nắn dòng.
Độ sâu cắm: đầu cảm biến đặt ở tâm ống (hoặc theo hướng dẫn của hãng với ống lớn), chiều dài đầu dò chọn theo đường kính ống.
Hướng lắp: mũi tên trên đầu dò theo chiều dòng khí; với khí nén nên lắp sau máy sấy và lọc.
Khai báo đúng: đường kính trong thực của ống, loại khí, điều kiện chuẩn (0 °C hay 20 °C) để số Nm³ khớp với hóa đơn.
Van cách ly: lắp qua van bi và gland để rút đầu dò ra vệ sinh mà không phải dừng đường ống.

Fox Thermal và kinh nghiệm thực tế của TMP

Fox Thermal (Mỹ) chuyên lưu lượng kế khối nhiệt, có loại cắm và loại lắp nối ống (inline), tích hợp hiển thị, ngõ ra 4–⁠20 mA, xung, Modbus, HART, ghi tổng lưu lượng và chức năng tự kiểm tra cảm biến tại chỗ. Tăng Minh Phát đã cung cấp lưu lượng kế cắm Fox FT3 cho Fuji Cac (2022) và tiếp tục triển khai các dự án đo khí nén, khí cấp lò bằng dòng FT3, FT4X.

Nếu mục tiêu là giảm điện cho máy nén khí, xem thêm đo lưu lượng khí nén, phát hiện rò rỉ. Với lưu lượng nhỏ trong phòng thí nghiệm, phủ màng, lò ủ, nên dùng bộ điều khiển lưu lượng khối MFC. Chưa chắc chọn kiểu nào thì xem cách chọn lưu lượng kế theo lưu chất.