NGHIÊN cứu NHỮNG yếu tố ẢNH HƯỞNG đến lực LORENTZ TRONG lưu LƯỢNG kế từ THỦY ĐỘNG lực

M CL C
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Lời cảm tạ
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách các từ viết tắt và ký hiệu khoa học
Danh sách các hình
Ch ơng 1: Tổng quan

TRANG
i
iii
iv
v
vii
ix
xi
1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước đã công bố

1

1.1.1 Giới thiệu về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)

1

1.1.2 Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí trong công nghiệp

2

1.1.3 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

3

1.2 Mục đích của đề tài

6

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

6

1.4 Phương pháp nghiên cứu

6

Ch ơng 2. C

7

S

LÝ THUY T

2.1 Lý thuyết về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)

7

2.1.1 Khái niệm

7

2.1.2 Ví dụ điển hình về từ thủy động lực học

7

2.1.3 Nguyên lý từ thủy động lực học

9

2.1.4 Các phương trình cơ bản

10

2.1.4.1 Phương trình Navier Stokes

10

2.1.4.2 Phương trình Maxwell

10

2.1.4.3 Định luật Ohm

11

2.1.4.4 Phương trình lực Lorentz

11

2.2 Dòng điện xoáy (Eddy Currents)

13

2.3 Kỹ thuật đo lưu lượng của các dòng kim loại hóa lỏng

15

vii


2.3.1 Lưu lượng kế điện từ DC

15

2.3.1.1 Lịch sử hình thành

15

2.3.1.2 Lưu lượng kế quy nạp điện từ

16

2.3.1.3 Lưu lượng kế lực Lorentz

17

2.3.1.4 Lưu lượng kế quay

17

2.3.2 Lưu lượng kế điện từ AC

17

2.3.2.1 Lưu lượng kế dòng điện xoáy

17

2.3.2.2 Lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp Tomography (CIFT)

18

Ch ơng 3. L U L

NG K L C LORENTZ

19

3.1 Giới thiệu

19

3.2 Nguyên lý cơ bản

20

3.3 Lưu lượng kế thông lượng theo chiều dọc

22

3.4 Lưu lượng kế thông lượng theo chiều ngang

25

3.5 Sự tương tác của lưỡng cực từ với dòng lưu chất chuyển động đồng nhất

28

3.5.1 Từ trường sơ cấp

28

3.5.2 Dòng điện thứ cấp

30

3.5.3 Từ trường thứ cấp

31

3.5.4 Lực Lorentz

33

Ch ơng 4. KH O SÁT CÁC Y U T

CHÍNH NH H

NG Đ N L C

LORENTZ

35

4.1 Sự ảnh hưởng của vận tốc tới lực lorentz

35

4.2 Sự ảnh hưởng của điện dẫn suất tới lực Lorentz

38

4.3 Sự ảnh hưởng của mật độ từ hóa tới lực Lorentz

41

4.4 Sự ảnh hưởng của chiều cao (độ dày) của thanh kim loại tới lực lorentz

41

4.5 Sự ảnh hưởng của gông từ tới lực Lorentz

42

Ch ơng 5. K T LU N

5.1 Kết luận

48
48

5.2 Hạn chế

49

5.3 Hướng phát triển đề tài
TÀI LI U THAM KH O

49
50
viii


DANH SÁCH CÁC T

VI T T T

VÀ KÝ HI U KHOA H C
Các từ vi t t t
MHD: MagnetoHydroDynamics (từ thủy động lực học).
LFF: Lorentz force flow meters(lưu lượng kế lực Lorentz)
CIFT: Contactless Inductive Flow Tomography (Lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp
Tomography)

Ký hi u khoa học
F: là lực tác động

B: là từ trường
E: là điện trường
q: là điện tích của hạt mang điện chuyển động
v: là vận tốc chuyển động
x: là phép nhân có hướng vector
ρ: là mật độ chất lỏng
P: là áp suất của dòng chảy
ν: độ nhớt động học của chất lỏng
µ: là độ từ thẩm
�: là điện dẫn suất của dòng lưu chất
S: là độ nhạy của lưu lượng kế

j: là mật độ dòng điện
dF: là lực Lorentz tác dụng lên một khu vực nhỏ trên một phân bố điện tích đều liên tục
dq: là điện tích tại khu vực nhỏ
dV:một đơn vị thể tích
f : là lực Lorentz trên một đơn vị thể tích (hay là mật độ lực lorentz)
J(r): dòng điện trong cuộn dây
B(r): từ trường do dòng điện sơ cấp tạo ra
j(r): dòng điện xoáy được gây ra bởi sự chuyển động của dòng lưu chất dưới tác dụng của
từ trường sơ cấp

 (r): điện thế
ix


b(r): là từ trường thứ cấp
�, �, �: tọa độ cầu

�� ,�� ,�� : các vector đơn vị của tọa độ cầu

 : là độ xoáy

 :là số sóng không thứ nguyên của từ trường
m: moment lưỡng cực từ
h: khoảng cách từ lưỡng cực từ tới mặt chất lỏng
d :độ dày lớp chất lỏng
R: bán kính ống dẫn hình tròn
g( ) : hàm chức năng

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
Hình 2.1: Hình ảnh cực quang trong tự nhiên.

TRANG
8

Hình 2.2: Chiều chuyển động của điện tích q trong từ trường.

9

Hình 2.3: Qui tắc xác định chiều dòng điện.

9

Hình 2.4: Lực Lorentz trên điện tích q.

11

Hình 2.5: Lực Lorentz trên điện tích dq.

11

Hình 2.6: Quỹ đạo điện tích trong từ trường.

12

Hình 2.7: Dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn điện.

13

Hình 2.8: Hình ảnh dòng điện xoáy trong trường hợp không có vết nứt (hình
bêntrái) và trường hợp có vết nứt (hình bên phải).

14

Hình 2.9: Hình ảnh dòng điện xoáy suy giảm theo độ sâu của vật liệu dẫn điện. 15
Hình 3.1a: Từ trường sinh ra bởi cuộn dây.

20

Hình 3.1b: Từ trường sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu.

20

Hình 3.2 Sự tương tác của dòng lưu chất với từ trường.

21

Hình 3.3 Sự di chuyển của một dòng lưu chất đồng nhất với độ dẫn điện σ tương
tác với một lưỡng cực từ có hướng vuông góc với bề mặt.

29

Hình 3.4 Sự phân bố của dòng điện xoáy khi lưỡng cực từ tác dụng lên dòng lưu
chất.

31

Hình 3.5 cấu trúc của từ trường sơ cấp được sinh ra khi lưu chất tương tác với
lưỡng cực từ: (a) lớp mỏngν (b) trường hợp chung; (c) lớp nửa vô hạn

33

Hình 4.1: Sơ đồ cấu tạo của lưu lượng kếtrong COMSOL Multiphysics

35

Hình 4.2: Lực lorentz và vận tốc

36

Hình 4.3:Chiều lực lorentz trong thanh dẫn khi có gông từ (mũi tên màu xanh)

36

Hình 4.4a:Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=0cm khi vận tốc thay

đổi

37

Hình 4.4b: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=3cm khi vận tốc thay
đổi

37

Hình 4.4c: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=5cm khi vận tốc thay
xi


đổi

37

Hình 4.5: Lực lorentz và điện dẫn suất

38

Hình 4.6: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi � thay đổi

39

Hình 4.8: Lực lorentz và độ từ hóa

41

Hình 4.9: Lực lorentz và chiều cao

42

Hình 4.10: Sơ đồ cấu tạo của lưu lượng kế không có gông từ

42

Hình 4.11: Lực lorentz và vận tốc khi không có gông từ

43

Hình 4.12: Chiều lực lorentz trong thanh dẫn khi không có gông từ

43

Hình 4.7: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương y,z khi � thay đổi 40

Hình 4.13a:Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=0cm khi không có gông từ44
Hình 4.13b: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=3cm khi không có gông
từ
44
Hình 4.13c: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=5cm khi không có gông
từ
45
Hình 4.14: Lực lorentz và chiều cao của thanh dẫn khi không có gông từ

45

Hình 4.15: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi không có
gông từ và chiều cao 6cm

46

Hình 4.16: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi không có
gông từ và chiều cao 14cm

47

xii


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Ch ơng 1

T NG QUAN
1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các k t qu nghiên cứu trong và
ngoài n

c đã công bố

1.1.1Gi i thi u về từ thủy đ ng lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)
Sự tương tác của các chất lỏng dẫn điện đang chuyển động với điện từ trường
sẽ làm xuất hiện các loại hiện tượng phong phú liên quan đến sự chuyển đổi năng
lượng từ sự chuyển động của các dòng chất lỏng dẫn điện thành năng lượng điện.
Các hiệu ứng có nguồn gốc từ các tương tác như vậy có thể được quan sát thấy
trong các chất lỏng, chất khí, hỗn hợp hai pha, hoặc plasma. Nhiều ứng dụng khoa
học kỹ thuật đã và đang được sử dụng hiện nay, chẳng hạn như kiểm soát nhiệt độ

và lưu lượng trong chế biến kim loại, phát điện sử dụng hỗn hợp hai pha hoặc việc
cung cấp các khí ở nhiệt độ cao, trong các lĩnh vực liên quan đến các dòng plasma ở
nhiệt độ cao. Hiệu ứng điện từ trong các chất lỏng dẫn điện đã được áp dụng trong
các lĩnh vực, chẳng hạn như magneto-fluid-mechanics, magneto-gas-dynamics, và
chúng thường được biết đến với tên gọi làtừ thủy động lực học
(MagnetoHydroDynamics_MHD).
Thiết bị MHD trong thực tế đã được sử dụng từ những năm đầu của thế kỷ 20. Ví
dụ, một mẫu thử nghiệm hệ thống bơm chất lỏng dựa trên nguyên lý MHD được
xây dựng vào đầu năm 1907. Gần đây hơn, các thiết bị MHD đã được sử dụng trong
hệ thống khuấy trộn, kiểm soát dòng chảy của kim loại lỏng trong quá trình chế
biến, luyện kim, các máy phát điệnứng dụng nguyên lý MHD, lưu lượng kế MHD
và các ứng dụng khác. Từ năm 1959, những nỗ lực lớn đã được thực hiện trên toàn
thế giới để phát triển công nghệ này nhằm mục đích cải thiện hiệu suất chuyển đổi
năng lượng điện năng, tăng độ tin cậy trong các hệ thống phát điện bằng cách loại
bỏ bộ phận chuyển động, và nhằm giảm lượng khí thải từ các nhà máy điện sử dụng
than đá và khí đốt. Các hệ thống dựa trên nguyên lý MHD sử dụng kim loại lỏng
HVTH: Vũ Công Chính1

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

hoạt động theo chu trình khép kín cũng đã được phát triển.
Vẫn còn nhiều những ứng dụng mới đang được phát triển. Ví dụ, các nghiên
cứu vềkhả năng sử dụngnước biển để tạo ra lực đẩy theo nguyên lý MHD, nghiên
cứu về việc kiểm soát các phần tử ở các lớp biên trong dòng chất lỏng hỗn loạn để
giảm lực cản. Nghiên cứu rộng rãi trên toàn cầu về khả năng lưu trữ từ của các dòng

plasma nhằm mục đích đạt được tới các điều kiện để duy trì phản ứng nhiệt hạch.
1.1.2 Đo l u l ợng chất lỏng, chất khí trong công nghi p
Đo lưu lượng đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì nó phục vụ cho mục
đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa
các quá trình sản xuất. Chính vì vậy việc hiểu rõ về phương pháp đo, cũng như nắm
vững các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng là điều hết sức cần thiết.
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí,
chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩmnước giải khát, dầu mỏ- khí đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng,
kim loại hóa lỏng, thủy tinh hóa lỏng … Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất
đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào. Việc
chọn lựa cảm biến đo lưu lượng loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc
tính chất lỏng (dòng chảy, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng,
chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng và yêu cầu về độ chính xác phép đo.
Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh
hưởng đến quyết định chọn lựa này. Nói chung, độ chính xác của lưu lượng kế còn
phụ thuộc vào cả môi trường đo xung quanh. Các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ,
chất lỏng/khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh hưởng đến kết quả
đo.
Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý
hoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu
lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm.
Một vấn đề gặp phải đó là việc đo lưu lượng trong các dòng kim loại lỏng,
thủy tinh tan chảy… là một vấn đề rất khó khăn bởi vì các vật liệu này thường
HVTH: Vũ Công Chính2

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

không trong suốt và thường ở trạng thái nhiệt độ cao và có tính ăn mòn. Đặc biệt là
trong các trường hợp khi mà các kim loại được hóa lỏng ở nhiệt độ cao, như trong
quá trình luyện kim.
Vấn đề đo lưu lượng sử dụng từ trường đã có một lịch sử lâu đời. Nó bắt đầu
vào năm 1832 khi Michael Faraday tiến hành một thử nghiệm để xác định vận tốc
của dòng sông Thames. Phương pháp của Faraday là cho dòng chảy đi ngang qua
một từ trường và sử dụng hai điện cực để đo điện áp cảm ứng, thí nghiệm này đã
được phát triển thành một ứng dụng thành công về mặt thương mại và được gọi là
lưu lượng kế quy nạp. Trong khi lưu lượng kế quy nạp được sử dụng rộng rãi để đo
lưu lượng chất lỏng ở nhiệt độ thấp như đồ uống, hóa chất, nước thải, chúng không
thích hợp cho việc đo lưu lượng dòng chất lỏng trong một số lĩnh vực như luyện
kim. Các lưu lượng kế quy nạp yêu cầu các điện cực phải được đưa vào bên trong
chất lỏng, điều đó sẽ gặp một số vấn đề khi sử dụng trong các ứng dụng mà có nhiệt
độ cao như nhiệt độ nóng chảy của dòng kim loại.Do đó đã có nhiều nghiên cứu để
phát triển các phương pháp đo lưu lượng với yêu cầu là không có bất kỳ mối liên hệ
vế mặt cơ khí của thiết bị đo với dòng chất lỏng cần đo.
1.1.3M t số k t qu nghiên cứu trong và ngoài n

c

+ “Numerical study of magnet systems for Lorentz force velocimetry in
electrically low conducting fluids”,M. Werner, B. Halbedel, E. Rädlein[1]:
Vấn đề được đặt ra trongbài báo này là việc để đo lưu lượng dòng thủy tinh
nóng chảy, với đặc điểm của chất lỏng là có điện dẫn suất thấp và chất lỏng có độ
nhớt cao, có nghĩa là để phát hiện được vận tốc chất lỏng trong khoảng 1mm/s ở
nhiệt độ khoảng 11000C với đặc trưng về điện dẫn suất chỉ tương đương 10S/m.
Hiện tại không có nhiều kỹ thuật đo lưu lượngcó thể làm việc tốt trong các điều kiện
như vậy. Do đó, các ứng dụng đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc lực Lorentz là một

giải pháp rất phù hợp, bởi vì đặc điểm của các ứng dụng dạng này là không cần phải
tiếp xúc trực tiếp với dòng chất lỏng.
Bài viết này mô tả các bước đầu tiên trong quá trình thiết kế của một hệ thống
từ trường cho các lưu lượng kế để đo lưu lượng của dòng chất lỏng sử dụng lực
HVTH: Vũ Công Chính3

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Lorentz trong các dòng chất lỏng có điện dẫn suất thấp nhưdòng thủy tinh nóng
chảy. Do đó, phương pháp mô hình mạng đã được sử dụng để lựa chọn các loại
nguồn từ tính. Tác giả sử dụng các công cụ mô phỏng 3D MAXWELL và
COMSOL để so sánh các sự ảnh hưởng của các hệ thống từ tính khác nhau đến việc
đo lưu lượng. Kết quả đạt được trong bài báo muốn đề cập là chọn lựa được một hệ
thống từ trường phù hợp cho các lưu lượng kế cho những dòng lưu chất có đặc điểm
như trên.
+“Contactless Electromagnetic Phase-Shift Flowmeter for Liquid Metals”,
Janis Priede, Dominique Buchenau and Gunter Gerbeth[2]
Bài báo này trình bày một khái niệm và các kết quả thử nghiệm của một lưu
lượng kế dựa trên nguyên tắc dòng điện xoáy để đo lưu lượng cho dòng kim loại
lỏng. Tốc độ dòng chảy được xác định bằng cách áp một từ trường xoay chiều yếu
lên một dòng kim loại lỏng và đo các sự xáo trộn pha trong chất lỏng được sinh ra
bởi từ trường bên ngoài. Các đặc tính cơ bản của lưu lượng kế loạinày được phân
tích bằng cách sử dụng mô hình lý thuyết đơn giản, trong đó dòng chảy được xấp xỉ
bằng một chuyển động vật thể rắn.
Mô hình được sử dụng trong bài báo này gồm có một cuộn dây tạo ra từ

trường và hai cuộn dây được đặt đối diện với cuộn dây thứ nhất để phát hiện các từ
trường thứ cấp được sinh ra do dòng điện xoáy gây ra. Kết quả thu được khi thay
đổi tần số, số vòng dây của các cuộn dây tạo ra từ trường cũng như các cuộn dây
cảm ứng thu được kết quả về mối quan hệ giữa độ dịch pha và vận tốc dòng chảy.
+“Lorentz Force Flowmeter for Liquid Aluminum: Laboratory Experiments
and Plant Tests”, Yurii Kolesnikov, Christian Karcher, Andre´ Thess[3]
Vấn đề được đặt ra trong bài viết này là việc đo lường trong quá trình sảnxuất
nhômthứ cấp. Trong quá trình sản xuất, nhôm phế liệu được nấu chảy trong lò nung
sử dụngnguyên liệu dầu để đốt lò. Hệ thống đốt tạo ra nhiệt độ cao hơn19730K
(17000C) bên trong lò. Sau đó dung dịch nhôm hóa lỏng được đưa tới các lò chuyển
đổi thông qua một kênh dẫn để hở. Trong các lò chuyển đổi này, các thành phần
cuối cùng để tạo nên hợp kim cần chế tạo được thêm vào bao gồm Si, Cu, Fe, Mn,
HVTH: Vũ Công Chính4

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Cr… Cuối cùng, chúng được đưa tới các máy đúc để hóa rắn, hoặc vào một lò nung,
được sử dụng để cung cấp nhôm lỏng khi cần thiết. Để việc giám sát và điều khiển
quá trình sản xuất, thì cần phải liên tục đo vận tốc trung bình của dòng nhôm lỏng
để tính toán các thông số như khối lượng và dung tích. Nhìn chung, trong một số
quá trình sản xuất việc kiểm soát được thông qua các thông số ở việc cân khối
lượng phế liệu và các khối nguyên liệu dạng rắn hoặc khối lượng các bồn chứa
nguyên liệu dạng lỏng. Do đó, một vài thông tin quan trọng trong quá trình sản xuất
sẽ không được cập nhật. Ví dụ, không biết lượng nhôm vẫn còn trong lò hoặc bao
nhiêu nhôm đã và đang trong quá trình chuyển đổi, làm cho việc đánh giá hiệu suất

từ việc sử dụng các phế liệu không được chính xác và chi phí của các nguyên liệu
cần bổ sung vào quá trình chuyển đổi không được tính toán chính xác. Vì vậy, việc
nghiên cứu các phương pháp đo trong các lĩnh vực như vậy là điều rất được quan
tâm hiện nay.
Nội dung bài viết này nhằm mục đích chứng minh rằng các dòng kim loại
nóng chảy ở nhiệt độ cao có thể đo được một cách hiệu quả theo phương pháp
không tiếp xúc bằng cách sử dụng từ trường bên ngoài. Các thiết bị được áp dụng
trong nội dung bài viết này được gọi là lưu lượng kế lực Lorentz (LFF) và được dựa
trên nguyên tắc là cho dòng chảy đi qua một hệ thống nam châm và đo lực kéo tác
động lên hệ thống nam châm đó. Có hai kết quả của phép đo được trình bày trong
bài viết này. Kết quả đo thứ nhất thu được từ việc thực hiện một thí nghiệm trên mô
hình trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng hợp kim eutectic GaInSn, trong đó
dòng chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Kết quả đo thứ hai thu được từ việc thực hiện thử
nghiệm việc đo lưu lượng của hợp kim nhôm hóa lỏng tại nhà máy. Trong cả hai
thử nghiệmtrên, các lực tác động lên hệ thống nam châm được đo chính là lực
Lorentz tác độnglên dòng chảy. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy vấn đề hiệu chỉnh
trong quá trình sử dụng là cần thiết, các yếu tố về từ trường cần phải chú ý khi thiết
kế hay nói cách khác hệ thống từ trường đóng một vai trò quan trọng trong lưu
lượng kế loại này.

HVTH: Vũ Công Chính5

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

+“Sensitivity Analysis Of A Lorentz Force flowmeter For Laminar And

Turbulent flows In A Circular Pipe”, A. Thess, B. Knaepen, E. Votyakov and
O. Zikanov[4]
Bài viết này phân tích độ nhạy của một lưu lượng kế lực Lorentz cho hai
trường hợp cụ thể: trường hợp thứ nhất là một dòng chảy trong một ống được tiếp
xúc với từ trường theo chiều dọc, và trường hợp thứ hai là một dòng chảy trong ống
được đặt dưới sự tác động của từ trường theo chiều ngang. Quá trình khảo sát bao
gồm các giải pháp phân tích cho dòng chảy một chiều từng lớp và các giải pháp số
cho dòng chảy hỗn loạn. Kết quả của việc khảo sát cho thấy độ nhạy của một lưu
lượng kế lực Lorentz chỉ phụ thuộc yếu vào các chi tiết về sự phân bố vận tốc trung
bình. Ngoài ra, các mô phỏng số chỉ ra rằng lý thuyết động học thực hiện khá tốt và
biến động hỗn loạn không ảnh hưởng lớn đến các phép đo của lưu lượng kế. Hơn
nữa, nó cho thấy rằng sự có mặt của các biến động có thể dễ dàng được lọc ra từ tín
hiệu lưu lượng kế.
1.2Mục đích của đề tài
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu các các yếu tố chính ảnh hưởng đến lực
lorentz trong lưu lượng kế từ thủy động lực.
1.3Nhi m vụ của đề tài và gi i h n đề tài
- Tổng quan về nguyên lý từ thủy động lực học.
- Tổng quan về nguyên lý đo lưu lượng.
- Nguyên lý làm việc chung của lưu lượng kế MHD.
- Cấu tạo chungcủa lưu lượng kế MHD
- Những yếu tố chính ảnh hưởng tới lực lorentz trong lưu lượng kế MHD
1.4Ph ơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu tham khảo.
- Sử dụng các phần mềm hỗ trợ.

HVTH: Vũ Công Chính6

GVHD: TS.Lê Chí Kiên

Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Ch ơng 2

C

S

LÝ THUY T

2.1 Lý thuy t về từ thủy đ ng lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)
2.1.1 Khái ni m
Từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD) là một lĩnh vực nằm
trong khuôn khổ vật lý – toán học liên quan đến vấn đề động lực học trong các chất
lỏng dẫn điện, hay nói cách khác từ thủy động lực học là một lĩnh vực nghiên cứu
các chất lưu (kim loại lỏng, plasma,…) dẫn điện chuyển động dưới tác động của
điện trường hoặc từ trường. Từ “MagnetoHydroDynamics” bao gồm các từ
Magneto-có nghĩa là từ tính, Hydro-có nghĩa là nước (hoặc chất lỏng) và Dynamicsđề cập đến sự chuyển động của một đối tượng dưới tác dụng của lực. Ngoài rà còn
có các thuật ngữ đồng nghĩa của từ “MagnetoHydroDynamics” mà ít được sử dụng
là“MagnetoFluidDynamics” và “HydroMagnetics”.
Một

trong

những

học

giả

nổi

tiếng

nhất

liên

quan

đến

MagnetoHydroDynamics (MHD) là nhà vật lý Thụy Điển Hannes Alfvén (19081995), người đã nhận được giải Nobel Vật lý (1970) cho công trình nghiên cứu liên
quan về lĩnh vực MagnetoHydroDynamics thuộc lĩnh vực vật lý plasma.
Ý tưởng cơ bản của từ thủy động lực học là từ trường có thể tác động lực
Lorentz lên các điện tích chuyển động trong plasma, gây ra áp suất và dòng điện
cảm ứng, và dòng cảm ứng lại sinh ra từ trường cảm ứng thay đổi từ trường tổng.
Các phương trình mô tả các hiện tượng từ thủy động lực học là sự kết hợp giữa các
phương trình Navier-Stokes (mô tả thủy động lực học) và các phương trình
Maxwell (mô tả trường điện từ).
2.1.2 Ví dụ điển hình về từ thủy đ ng lực học
Trong phần này chúng ta tìm hiểu về hai ví dụ điển hình của từ thủy động lực
học (MHD). Ví dụ đầu tiên liên quan đến các vấn đề về các dòng kim loại hóa lỏng
trong công nghiệp, nhằm minh họa cho lý do tại sao các thông tin về cấu trúc

HVTH:Vũ Công Chính

7

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

củadòng chảy là cần thiết ngoài những thông số về khối lượng. Ví dụ thứ hai mở
rộng
phạm vi của MHD ngoài các ứng dụng kỹ thuật và cung cấp cho ta một cáinhìn sâu
sắc hơn về MHD trong tự nhiên.
Ví dụ thứ nhất: Trong công nghiệp việc một thanh thép được sản xuất bằng
cách nung chảy một lượng thép nhất định và thêm vào một số thành phần để thay
đổi các đặc tính vật liệu của sản phẩm cần tạo ra, sau đó nó được rót vào khuôn đúc
với các hình dạng như mong muốn. Nếu việc nung chảy thép chỉ đơn thuần là quá
trình đúc, làm mát và hóa rắn thì sẽ đòi hỏi mộtlượng thời gian đáng kể và sản
phẩm sẽ không có sự đồng nhất và hoàn hảo.
Thay vào đó, người ta sử dụng một máy trộn điện từ được đặt ở phía trên
miệng của khuôn đúc. Khi dung dịch thép hóa lỏng được đổ vào khuôn, nó sẽ đi
ngang qua nam châm điện của máy trộn và chúng sẽ bị lệch khỏi phương thẳng khi
đi xuống theo hướngngang. Các thay đổi hướng trong quá trình nung làm cho việc
tạo ra các sản phẩm chất lượng hơn.
Mặc dù phải cung cấp một nguồn năng lượng cho nam châm điện, tuy nhiên
các nam châm điện không chỉ liên quan đến các thành phần trong quá trình đúc thép
mà còn liên quan đến nhiệt độ của các khuôn đúc. Như vậy, các máy trộn không chỉ
giúp loại bỏ tạp chất mà nócòn tăng cường sự truyền nhiệt ra bên ngoài của các
phôi thép, giảm thiểu thời gian trong quá trình làm nguội thép.
Ví dụ thứ hai: Đây là một ví dụ nổi bật và hữu hình của một hiện tượng MHD

trong tự nhiên được gọi là Polar Lights, còn được biết đến dưới tên gọi Aurora
Borealis (Bắc cực quang) và Aurora Australis (Nam cực quang), hoặc chỉ đơn giản
là Aurora.

HVTH:Vũ Công Chính

8

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Hình 2.1: Hình ảnh cực quang trong tự nhiên
2.1.3 Nguyên lý từ thủy đ ng lực học
Từ trường tác động lực Lorentz lên mọi điện tích chuyển động một lực:

F = q.(v x B)

(2.1)

Trong đó:
- F là lực tác động
- q là điện tích của hạt mang điện chuyển động
- v là vận tốc của hạt chuyển động
- x là phép nhân có hướng vector
- B là cảm ứng từ
Hình 2.2: Chiều chuyển động của

điện tích q trong từ trường
Theo quy tắc nhân có hướng các véctơ, F vuông góc với cả v và B, và tuân
theo quy tắc bàn tay phải. Lực này sẽ dẫn hướng các điện tích chuyển động trong
lưu chất dẫn điện đến các điện cực đặt ở vị trí thích hợp trong dòng chảy nằm trong
từ trường và các điện cực sẽ tiếp nhận điện năng.

HVTH:Vũ Công Chính

9

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Hình 2.3: Qui tắc xác định chiều dòng điện
2.1.4 Các ph ơng trình cơ b n
2.1.4.1 Ph ơng trình Navier Stokes
Phương trình chuyển động này dựa trên phương trình chuyển động theo định
luật 2 Newton. Những phương trình này còn được gọi là phương trình NavierStokes. Phương trình ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng có dạng:
V
1
  V.  V   p   2 V  F
t


(2.2)

Trong đó:
- ρ là mật độ chất lỏng.
- V vận tốc của dòng chảy.
- p là áp suất của dòng chảy.
- ν độ nhớt động học của chất lỏng.
- F là các lực khác tác dụng lên dòng chảy.
Khi dòng chất lỏng có mật độ dòng điện là j, được đặt trong một từ trường B,
thì sẽ có một lực tác dụng lên dòng chảy là j x B, và xét đến ảnh hưởng của trọng
lực thì phương trình Navier-Stokes được viết lại như sau:
1
1
V
 V. V   p   2 V  g  j  B
t



(2.3)

2.1.4.2 Ph ơng trình Maxwell
Thông qua các phương trình Maxwell chúng ta thấy được mối quan hệ của các
thành phần tác động lên dòng chảy như sau:

 B   j (Ampere’slaw)

(2.4)

B
   E (Faraday’s law)
t

(2.5)

j   E  V  B

(2.6)

Trong đó:
- µ là độ từ thẩm.
- B là từ trường.
HVTH:Vũ Công Chính

10

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

- jlà mật độ dòng điện.
- E là điện trường.
2.1.4.3 Định luật Ohm
Từ việc áp dụng định luật Ohm cho một vật dẫn chuyển động, có thể rút ra kết
luận về các dòng điện xoáy gây ra trong một vật liệu dẫn điện. Nó phát sinh từ sự
chênh lệch điện thế và sự chuyển động của vật dẫn trong một từ trường.

đây, σ là

điện dẫn suất. Đối với kim loại lỏng, σ có giá trị khoảng 106S/m, và chất rắn là 107
S/m.


 
J   [.  (v  B)]

(2.7)

2.1.4.4 Ph ơng trình lực Lorentz
Nếu một hạt mang điện tích q di chuyển với vận tốc v trong từ trường B và
điện trường E thì sẽ có một lực F tác dụng lên điện tích q đó:

F = q(E + v x B)

(2.8)

Trong đó: “x” là tích vector, các đại lượng dưới dạng vector
Phương trình lực Lorentz đối với một phân bố điện tích đều liên tụccóthểviết
dưới dạng như sau:

dF = dq(E + v x B)

(2.9)

Trong đó: dF là lực Lorentz tác dụng lên một khu vực nhỏ trên một phân bố điện
tích đều liên tục, dq là điện tích tại khu vực nhỏ đó.
Nếu chia 2 vế của phương trình (2.9) cho thể tích của khu vực nhỏ dV ta được:

f   ( E  v  B)

(2.10)

Trong đó: f là lực Lorentz trên một đơn vị thể tích (hay là mật độ lực lorentz), ⍴ là
mật độ điện tích trên một đơn vị thể tích.

HVTH:Vũ Công Chính

11

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Hình 2.4: Lực Lorentz trên điện tích q

Hình 2.5: Lực Lorentz trên điện tích dq

Mật độ dòng điện J tương ứng cho sự di chuyển với vận tốc vcủa một phần tử
có điện tích dqtrong một phần tử thể tích dVđược tính như sau:

J  v

(2.11)

f  E  J  B

(2.12)

Từ phương trình (2.10) và (2.11) ta có:
Tổng lực Lorentz của một phân bố điện tích liên tục là tính phân khối của mật
độ lực Lorentz trên thể tích V như sau:

F   (  E  J  B)dV

(2.13)

Quỹ đạo chuyển động của các hạt điện tích trong từ trường có thể được xem
như là sự chồng chất của một chuyển động tròn tương đối nhanh xung quanh một
điểm gọi là tâm dẫn hướng và độ trôi tương đối chậm so với điểm này.Tốc độ trôi
có thể khác đối với các loại khác nhau tùy thuộc vào trạng thái điện tích của chúng,
khối lượng, hoặc nhiệt độ.

Hình 2.6: Quỹ đạo của điện tích trong từ
trường
Tr ờng hợp A: Trong từ trường đồng
nhất và không có lực tác động.
Tr ờng hợp B: Trong từ trường đồng
nhất và với điện trường E.
Tr ờng hợp C: Trong từ trường đồng
nhất và có trọng lực tác dụng.
Tr ờng hợp D: Trong từ trường không
đồng nhất.
Hình 2.6: Quỹ đạo điện tích trong từ trường

HVTH:Vũ Công Chính

12

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

2.2 Dòng đi n xoáy (Eddy Currents)
Nguyên tắc của dòng điện xoáy được giải thích như sau: Các phương pháp sử
dụng dòng điện xoáy được dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện tròn (dòng điện
xoáy) trong một vật liệu dẫn điện. Điều này có được bằng cách sử dụng một cuộn
dây được kết nối với một nguồn điện xoay chiều để tạo ra một từ trường xoay chiều
(từ trường sơ cấp). Chính các dòng điện được gây ra bởi từ trường sơ cấp này trong
các vật liệu dẫn điện sẽ tạo ra một từ trường (từ trường thứ cấp) đối lập với các từ
trường sơ cấp theo định luật Lenz.
Khi đặt một cuộn dây được kết nối với nguồn điện xoay chiều đặt trong không
khí thì sẽ không bị ảnh hưởng bởi dòng điện xoáy, nhưng khi di chuyển cuộn dây
này đặt phía trên mặt của một vật dẫn điện thì sẽ xuất hiện một tín hiệu tác động lên
cuộn dây, tín hiệu này có thể được sử dụng để đo khoảng cách, ví dụ như đo độ dày
lớp phủ không dẫn điện trên vật liệu dẫn điện.

Hình 2.7: Dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn điện
HVTH:Vũ Công Chính

13

GVHD: TS.Lê Chí Kiên

Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Dòng điện xoáy được sử dụng trong việc kiểm tra các vật liệu sắt từ và phi sắt
từ. Các dòng điện xoáy sẽ luôn luôn đi theo con đường dễ nhất, và nếu vết nứt tồn
tại trong các vật liệu, dòng điện xoáy sẽ đi xung quanh các vết nứt. Sự thay đổi này
của lưu lượng dòng điện xoáy cũng có thể được phát hiện bằng cách theo dõi sự
thay đổi trở kháng của cuộn dây và được sử dụng chủ yếu để phát hiện các vết nứt.

Hình 2.8: Hình ảnh dòng điện xoáy trong trường hợp không có vết nứt (hình bên
trái) và trường hợp có vết nứt (hình bên phải)
Dòng điện xoáy là những đường tròn khép kín được hình thành trong mặt
phẳng vuông với từ thông. Dòng điện xoáy thường tập trung ở vị trí gần tiếp giáp
với nguồn phát ra từ trường và cường độ của nó cũng phụ thuộc vào khoảng cách từ
bề mặt tiếp xúc của vật dẫn điện đến vị trí của nguồn phát ra từ trường.
Các dòng điện xoáy thường tập trung nhiều ở bề mặt được gọi là hiệu ứng da,
cũng chính những dòng điện xoáy tập trung ở bề mặt này có thể được xem như là
một lá chắn từ trường do cuộn dây sinh ra, do đó làm suy yếu từ trường ở những độ
sâu lớn hơn và giảm dòng điện cảm ứng.

HVTH:Vũ Công Chính

14

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Hình 2.9: Hình ảnh dòng điện xoáy suy giảm theo độ sâu của vật liệu dẫn điện
2.3 Kỹ thuật đo l u l ợng của các dòng kim lo i hóa lỏng
Đo lưu lượng của các dòng kim loại hóa lỏng đã trở thành mục tiêu được
nghiên cứu của cáccông trình nghiên cứu trong nhiều năm qua. Như chúng ta đã
biết việc đo lưu lượng các dòng kim loại hóa lỏng gặp nhiều khó khăn do chúng
thường ở nhiệt độ cao, có tính ăn mòn cao, do đó hầu như tất cả các kỹ thuật đo
lường dòng chảy cổ điển là không phù hợp cho môi trường phản ứng mạnh của kim
loại hóa lỏng. Ngược lại, độ dẫn điện cao là một yếu tố điển hình của các kim loại,
chính điều này cho phép các phương pháp khác dựa trên nguyên tắc của các dòng
điện xoáy gây ra khi dòng kim loại được di chuyển qua một từ trường. Mức độ dẫn
điện lớn cho phép các dòng điện đủ mạnh để được phát hiện bằng cách này hay
cách khác. Thật vậy, một trong những kỹ thuật đo lườngđược sử dụng đối với dòng
kim loại hóa lỏng dựa vào lực điện từ trong dòng kim loại hóa lỏng đang dịch
chuyển. Các phần dưới đây sẽ giới thiệusơ lược về các kỹ thuật cũng nhưkhả năng
ứng dụng của chúng để đo lưu lượng các dòng chảy kim loại trong công nghiệp.
2.3.1 L u l ợng k đi n từ DC
2.3.1.1 Lịch sử hình thành
Theo định luật Faraday thì khi điện tích di chuyển ngang qua một từ trường thì
sẽ có một lực tác dụng lên điện tích đó, nó được gọi là lực Lorentz có phương
HVTH:Vũ Công Chính

15

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

vuông góc với phương của từ trường và vận tốc di chuyển của điện tích. Lực
Lorentz tác dụng lên điện tích âm và điện tích dương theo hai hướng ngược nhau, vì
vậy các điện tích dương và âmđược tách ra thành hai phía khác nhau. Chính sự phân
cực này tạo ra một điện trường và nó được phát hiện bằng các đầu dò đặt dọc theo
vị trí tạo ra từ trường.
Lưu lượng kế điện từ sử dụng nguyên tắc này bằng cách áp một từ trường cơ
cấplên các chất lỏng và đo sự sụt áp giữa hai điện cực. Người đầu tiên thử nghiệm
theo phương pháp này chính là Faraday. Ông đã sử dụng từ trường của Trái đất để
đo vận tốc của sông Thames bằng cách treo điện cực vào trong nước sông.
Tuy nhiên, có lẽ vì đáy sông đã làm ngắn mạch tín hiệu cho nên Faraday đã
thất bại với thí nghiệm của mình. Người đầu tiên áp dụng thành công ý tưởng của
Faraday để đo một dòng chảy tự nhiên MHD là Wollaston vào năm 1851, khi ông
đã có thể đo điện áp trong kênh British gây ra bởi thủy triều. Và kể từ đó phương
pháp này đã phát triển thành một phương pháp được chấp nhận để đo dòng chảy
thủy triều trong nước biển.
2.3.1.2 L u l ợng k quy n p đi n từ
Lưu lượng kế quy nạp Faraday thường xuyên được sử dụng đa dạng trong các
lĩnh vực như các ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, đo nước, và thậm chí cả
các ngành công nghiệp dược phẩm hoặc thực phẩm đòi hỏi mức độ an toàn và vệ
sinh cao.Về kích thước, lưu lượng kế hiện nay có đường kính khoảng từ 1mm đến
3m, với lưu lượng từ 11l/h đến 108l/h. Lưu lượng kế điện từ quy nạp đã được
nghiên cứu nhiều đối với các ứng dụng thực tế của nó. Vấn đề chính của nó là điện
trở tiếp xúc giữa điện cực và các chất lỏng, ngay cả khi các điện cực được nằm hoàn
toàn trong dòng kim loại.Đặc biệt là liên quan đến nhiệt độ cao trong các dòng kim
loại hóa lỏng, thiết bị đo lưu lượng quy nạpsẽ gặp hư hỏng vì các điện cực không
thể chịu được môi trường có tính ăn mòn như vậy. Giải pháp duy nhất cho vấn đề
này là để đưa ra các thiết bị đo lường làm việc mà không cần tiếp xúc với môi

trường chất lỏng, giống như các thiết bị sau đây.

HVTH:Vũ Công Chính

16

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

2.3.1.3 L u l ợng k lực Lorentz
Lưu lượng kế lực Lorentz sử dụng một nam châm vĩnh cửu đặt gần với dòng
chảy cần đo lưu lượng. Khi đó trong dòng chảy sẽ sinh ra một lực Lorentz chống
lại sự chuyển động của dòng chảy, đồng thời cũng tạo ra dòng điện xoáy trong chất
lỏng. Theo định luật thứ ba của Newton về phản lực, thì sẽ có một lực đẩy tác dụng
trên nam châm vĩnh cửu. Mặc dù khá yếu, lực này có thể phát hiện và có thể được
sử dụng như một biện pháp cho việc đo vận tốc của các dòng chảy kim loại. Một
vấn đề của lưu lượng kế lực Lorentz là tín hiệu lực cũng phụ thuộc vào cường độ
của từ trường và độ dẫn điện, điều đó cũng đồng nghĩa là tín hiệu lực không chỉ phụ
thuộc vào khoảng cách của nam châm tới dòng chảy, nhưng cũng phụ thuộc vào
nhiệt độ và cấu trúc của các kim loại.
2.3.1.4 L u l ợng k quay
Lưu lượng kế quay có mối quan hệ gần giống với lưu lượng kế lực lorentz là
cũng sử dụng nam châm vĩnh cửu. Các phản lực trong lưu lượng kế quay cũng tác
động lên các nam châm trong lưu lượng kế quay, và nó tạo ra một mô-men xoắn
trên các nam châm. Thay vì đo mô-men xoắn trực tiếp trên các nam châm thì vận
tốc góc trong chuyển động quay của nam châm được sử dụng như một phương pháp

để đo vận tốc. Cấu trúc hình học của lưu lượng quay có dạng như loại bánh đà, hoặc
là lưu lượng kế quay với hệ thống nam châm đơn, nó sử dụng một nam châm hình
trụ từ hóa vuông góc với trục của nó. Cả hai loại đều có ưu điểm là độc lập với độ
dẫn điện và nhiệt độ của dòng kim loại hóa lỏng. Hơn nữa, do bên ngoài áp dụng
một vòng quay với nam châm, bánh đà có thể được sử dụng như một máy bơm điện
để lái dòng chảy.
2.3.2 L u l ợng k đi n từ AC
2.3.2.1 L u l ợng k dòng đi n xoáy
Để tránh những vấn đề liên quan với sự suy giảm của từ trường ở nam châm
vĩnh cửu khi làm việc ở nhiệt độ cao, một số kỹ thuật đã được phát minh ra dựa trên
cơ sởcác nam châm điện. Những kỹ thuật ban đầu đã được đề xuất bởi Lehde và
Lang, ban đầu gồm ba cuộn dây đặt bên trong hoặc bên ngoài kim loại. Hai cuộn
HVTH:Vũ Công Chính

17

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

cung cấp từ trường sơ cấp để gây ra dòng điện xoáy trong kim loại. Các dòng chảy
sẽ kéo theo các dòng điện xoáy, chúng sẽ gây ra một từ trường thứ cấp sẽ được phát
hiện bởi cuộn dây thứ ba. Cải tiến quan trọng kể từ khi phát minh ban đầu ra đời là
sự gia tăng về số lượng các cuộn dây và việc tối ưu của tần số kích thích. Mặc dù
chủ yếu sử dụng ở bên ngoài dòng chảy, tuy nhiên lưu lượng kế dòng điện xoáy
cũng có thể được sử dụng như một máy dò và ngập trong kim loại.
Một lợi thế lớn của xoáy đo lưu lượng hiện nay là dòng chảy nhiễu loạn không chỉ

là biên độ của AC từ lĩnh nhưng cũng phân phối giai đoạn của nó. Tính khả thi của
việc sử dụng các dịch pha như một chỉ báo bổ sung cho vận tốc dòng chảy được
chứng minh.
2.3.2.2 L u l ợng k không ti p xúc quy n p Tomography (CIFT)
Lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp Tomographylà một phương pháp được
đề xuất gần đây và đã được chứng minh để mang lại một mức độ phân giải trong
không gian bên trong một dòng chảy lớn. Một lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp
Tomographygồm hai cuộn dây Helmholtz, nó tạo ra một từ trường xoay chiều yếu
trong bình có chứa dòng chảy cần được khảo sát. Các dòng chảy trong bình làm
biến dạng từ trường và độ lệch khoảng 1% so với từ trường sơ cấp, chúng được phát
hiện với một số cảm biến Hall. Bằng việc giải quyết bài toán nghịch đảo xấp xỉ
tuyến tính, thì các trường vận tốc bên trong tàu có thể được tái tạo từ các phân bố từ
trường tại các bộ cảm biến Hall bên ngoài bình chứa. Cải tiến đã được thực hiện
dựa trên các phương pháp tính toán nghịch đảo và các phương pháp thí nghiệm
riêng trong các nghiên cứu với triển vọng tiếp tục nâng cao độ phân giải về chiều
sâu bằng cách thay đổi tần số của từ trường sơ cấp. Hơn nữa, phương pháp này đã
được áp dụng thành công với mô hình trong quá trình đúc thép liên tục, các trường
dòng chảy bên trong một tấm thép có thể được xây dựng lại với một số lượng cảm
biến được giảm đi so với phương pháp khác.

HVTH:Vũ Công Chính

18

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 3

Ch ơng 3

L UL

NG K L C LORENTZ

3.1 Gi i thi u
Việc đo vận tốc trong các dòng chảy của kim loại hóa lỏng là một vấn đề rất
khó khăn vìcác loại vật liệu này thường không trong suốt,nóng và nguy hiểm có tính
ăn mòn. Đặc biệt là trong những trường hợpmà kim loại hóa lỏng ở nhiệt độ cao,
như trong luyện kim, sự phát triển của các phương pháp đo vận tốc không tiếp xúc
đáng tin cậyđến nay đã đạt kết quả. Nội dung của chương này là trình bày các cơ sở
lý thuyết cơ bản của lưu lượng kế lực Lorentz-một phương pháp đo lưu lượng dòng
chảy sử dụng điện từ, nó dựa trên nguyên tắc là cho một dòng chảy đi qua từ trường
và đo lực tác dụng lên hệ thống phát ra từ trường đó.
Việc đo lưu lượng sử dụng từ trường đã có một lịch sử lâu đời. Nó bắt đầu vào
năm 1832, khiMichael Faraday đã cố gắng để xác định vận tốc của dòng sông
Thames. Phương pháp của Faraday sử dụng là cho một dòng chảy dưới một từ
trường và sử dụng hai điện cực đo điện áp cảm ứng, nó đã phát triển thành công
thành một ứng dụng mang tính thương mạiđược gọi là lưu lượng kế quy nạp.Trong
khi lưu lượng kế quy nạp được sử dụng rộng rãi để đo lưu lượng của chất lỏng ở
nhiệt độ thấp như đồ uống, hóa chất và nước thải, chúng không thích hợp cho việc
đo lưu lượng của dòng chảy trong lĩnh vực luyện kim. Kể từ khi có sự yêu cầu các
điện cực được đưa vào trong lòng chất lỏng, thì việc sử dụng các lưu lượng kế bị
hạn chế khi mà các điện cực chỉ làm việc được ở nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ
nóng chảy của kim loại cần đo lưu lượng. Do đó đã có nhiều nỗ lực để phát triển
các phương pháp đo lưu lượng mà không cần phải có bất kỳ mối liên hệ về mặt cơ
khí với chất lỏng. Trong số những phương pháp đócó lưu lượng kế dòng điện xoáy,
nó đo sự thay đổi dòng chảy thông qua sự thay đổi điện kháng trong cuộn dây tương

tác với dòng chảy.Gần đây, một phương pháp không tiếp xúc được đề xuất trong đó
một từ trường được đặt lên các dòng chảy và vận tốc được xác định từ các phép đo
HVTH: Vũ Công Chính19

GVHD: TS.Lê Chí Kiên