Lưu lượng kế điện từ

Lưu lượng kế điện từ
Đo lưu lượng đóng một vai trò rất quan trọng trong các mạng lưới vận
chuyển chất lưu (ví dụ như ống dẫn khí, dẫn dầu) và trong mọi thiết bị công
nghiệp mà cần khống chế lượng chất lưu tham gia vào các quá trình như ở
động cơ đốt trong, l
ò phản ứng hoá học…
Kể từ khi phát minh ra lưu lượng
kế tuabin theo kiểu Woltman vào
nh
ững năm 1970, các chuyên gia tự
động hoá đều h
ào hứng trông đợi
một máy đo lưu lượng cho tất cả
các ứng dụng khác nữa. Nhưng
đ
áng tiếc là dù chúng ta đã có hẳn
12 công nghệ đo lưu luợng khác
nhau nhưng không một công nghệ
nào cho phép áp dụng được vào
m
ọi ứng dụng.
Một trong những phương pháp
được sử dụng rộng r
ãi nhất trong
hầu hết các ứng dụng, trên hầu hết các ngành công nghiệp và với độ chính
xác cao hơn cả cách đo áp suất vi sai, đó chính là lưu lượng kế điện từ. Theo
các nghiên cứu của Jesse Youder thì lưu lượng kế chiếm 4,7 tỷ USD doanh
số nhưng lưu lượng kế điện từ mới chỉ chiếm khoảng 20% trong số đó.
Hiện có rất nhiều lưu lượng kế điện từ được sản xuất hằng năm. Thiết bị này
được sử dụng trong tất cả các quá trình công nghiệp: nước, nước thải, và các
m

ỏ khoáng chất, thực phẩm và dược phẩm. Thiết bị này được thiết kế trong
các hệ thống xử lý gần như tất cả các nước có nguồn gốc hoá chất và bùn
than; có kh
ả năng chống hao mòn, trầy xước và thậm chí cả làm sạch bề mặt
bên trong đường ống (thiết kế d
ành cho các ứng dụng vệ sinh dịch tễ).
Lưu lượng kế điện từ được sử dụng rộng r
ãi nhất bởi vì kích thước máy đo
có thể thay đổi độ lớn tuỳ theo yêu cầu ứng dụng. Công ty Zuider Zee tại Hà
Lan là nơi đầu tiên sử dụng công nghệ này cho các cống thoát nước trong
Hình 1. Vận tốc chất lưu làm thay đổi
từ trường tĩnh và gây nên một điện thế
tỷ lệ trên các điện cực.
những năm 1950. Thường thì nhà cung cấp cho ra lò những sản phẩm có
kích thước từ
12mm đến 914mm. Một số h
ãng khác có thể cung cấp với các kích thước lên
đến 3.048mm. Việc tăng hay giảm kích thước ống như thế có liên quan trực
tiếp đến công nghệ.
Nguyên lý hoạt động
Năm 1831, Michael Faraday
đ
ã tìm ra định luật cảm ứng
điện từ mà sau này được đặt
tên luôn là Faraday. Trong
m
ột máy đo lưu lượng điện
từ thì cuộn dây được đặt
song song với dòng chảy và
ở góc bên phải bên trong ống

dẫn có đặt một loạt các điện
cực, tạo ra một trường từ
tĩnh. Các đường ống dẫn
phải là vật liệu không từ tính, mặt bên trong ống được phủ chất cách điện.
Khi chất lưu chảy qua thì một hiệu điện thế nhỏ xuất hiện trên các điện cực.
Hiệu điện thế này tỷ lệ với độ lệch của từ trường.
Các lưu lượng kế điện từ hiện đại hoạt động dựa trên trường một chiều DC
chuyển đổi được với nguyên tắc không gây ra tiếng ồn (có thể từ RFI, EMI
và tiếng ồn điện thực sự trong khi đo lưu lượng chất lưu). Nó hoạt động theo
chế độ tắt từ trường, đo điện thế lưu lại trên các điện cực; sau đó là bật lại từ
trường v
à trừ giá trị điện thế lúc bật và lúc tắt cho nhau. Cơ chế này được
thực hiện vài lần trong một giây cho phép loại trừ hiện tượng trôi, lệch điểm
không.
Điều này có nghĩa là điện thế cảm ứng trên các điện cực là tỷ lệ trực tiếp với
vận tốc trung bình trong đường ống; cách làm này chính xác hơn rất nhiều
các phương pháp đo vận tốc khác.
Lưu lượng kế điện từ đo vận tốc có độ chính xác đáng kể, tiếp cận được với
độ chính xác của các th
iết bị đo vị trí. Chúng thường được sử dụng khi ứng
dụng đo lưu lượng trong khoảng thời gian tương đối dài. Độ chính xác của
Hình 2. Lắp đặt lưu lượng kế điện từ
lưu lượng kế điện từ là 0.5% của giá trị đo (trong khoảng từ 0.1 tới 10m/s).
Một số nhà cung cấp cho biết rằng vẫn có thể đạt được độ chính xác tới
0.1%.
Sử dụng lưu lượng kế điện từ
Lưu lượng kế điện từ có dải ứng dụng rộng lớn mà có thể nói rằng thật dễ để
kể về những nơi mà lưu lượng kế điện từ không hoạt động được hơn là phải
ngồi liệt kê tất cả các ứng dụng của thiết bị này.
Lưu lượng kế điện từ sẽ không hoạt động tốt khi các đường ống không phải

là đầy chất lưu (ngoại trừ một số thiết kế đặc biệt ri
êng cho ứng dụng này).
N
ếu ống không đầy nước sẽ gây nên lỗi đáng kể. Một trong những ví dụ phổ
biến nhất về việc sử dụng lưu lượng kế điện từ không đúng là lưu chất chảy
dọc theo vectơ trọng trường ra không khí trong một bể nước. Một hiện tượng
rất hay xảy ra nữa là dòng chảy rất chậm, ống dẫn không đầy nước và kết
quả thu được từ lưu lượng kế điện từ sẽ sai. Đôi khi để giảm hiện tượng này
thì có th
ể thiết kế ống hình chữ U nhằm đảm bảo nước trong ống luôn đầy.
Lưu lượng kế điện từ sẽ không hoạt động tốt khi các ống dẫn đầy khí gas
hoặc không khí. Lí do là làm thay đổi việc tính thể tích đường ống và thay
đổi thể tích luồng đi qua thiết bị đo.
Lưu lượng kế điện từ sẽ không l
àm việc tốt nếu dòng chảy bắt đầu và dừng
liên tục vì có một thời gian trễ giữa lúc dòng chảy bắt đầu và vận tốc chỉ thị
của thiết bị đo. Điều này có nghĩa là lưu lượng kế điện từ không làm việc tốt
trong điều kiện hoạt động lặp đi lặp lại li
ên tục trong thời gian ngắn. Trên
th
ực tế vẫn có các trường hợp ngoại lệ của một số ứng dụng đặc biệt sẽ được
thiết kế để có thể có đáp ứng rất nhanh.
Lưu lượng kế điện từ không cho được thông
tin về khối lượng lưu chất chảy
qua nhưng khi được kết hợp với thiết bị đo mật độ th
ì có thể cung cấp thông
tin có độ chính xác cao. Việc kết hợp sẽ tốt nếu kích thước của ống dẫn cỡ
300mm. Các ứng dụng kiểu này khá phổ biến trong công nghiệp khai thác
hay nạo vét sông, bến cảng.
Quan trọng nhất là lưu lượng kế điện từ sẽ không làm việc được nếu lưu chất

có từ tính hoặc phải đo lưu lượng khí gas. Độ dẫn tính tối thiểu của lưu chất
cho phép là 5μS (microSiemens). Thực tế cho thấy sẽ không tốt nếu sử dụng
lưu lượng kế điện từ để đo vận tốc của lưu chất có độ dẫn trung bình thấp.
Lý do là vì điện trở trong của cảm biến phải nhỏ hơn rất nhiều so với điện
trở vào của thiết bị đo.
Cuối cùng, lưu lượng kế điện từ cũng sẽ hoạt động không tốt nếu lưu chất có
độ dẫ
n rất cao (nước muối hay nước biển). Với những ứng dụng đặc biệt
trên thì cũng cần có những thiết kế
phù hợp.
Sử dụng lưu lượng kế điện từ
Có một số quy tắc đơn giản để sử
dụng lưu lượng kế điện từ mà theo
đó nếu bạn làm theo sẽ đạt hiệu quả
sử dụng cao.
Lắp ống dẫn thẳng
Lưu lượng kế điện từ cần chạy ống dẫn thẳng ít hơn hầu hết các lưu lượng
kế điện từ khác, thường là 3.D theo hướng ngược chiều của mặt phẳng điện
cực và 0.D theo hướng thuận chiều. Tuy nhiên, có những trường hợp khi đi
ống dẫn với c
àng nhiều đoạn thẳng càng tốt, ví dụ như hiện tượng xoáy có
thể sinh ra trong ống dẫn dài hàng trăm D khi gặp một lỗi rẽ ba chiều.
Những lỗi kiểu này có thể gây sai trầm trọng cho kết quả đo, đôi khi lên tới
40% của giá trị đo.
Gắn lưu lượng kế điện từ theo phương thẳng đứng
Một trong những cách để đảm bảo người sử dụng lắp đặt chính xác cho đồng
hồ đo đó là lắp đặt lưu lượng kế điện từ sao cho dòng chảy qua là theo chiều
dọc. Việc này hữu ích để hạn chế hiện tượng xoáy và cũng có thể giúp làm
gi
ảm hiện tượng không khí tràn vào.

Chọn dải đo hợp lý
Mặc dù một lưu lượng kế điện từ sẽ hoạt động trên một dải khoảng từ 0.09
đến 10m/s nhưng tốt nhất là không để th
iết bị hoạt động ở điều kiện đo vận
tốc cực đại hay cực tiểu. Trong một số ứng dụng có chất rắn trong ống dẫn
sẽ có thể bị kết tảng bên trong ống, thậm chí trên cả các điện cực. Nếu bị kết
tảng xảy ra trong ống dẫn thì việc tính thể tích chất lưu truyền qua sẽ sai và
n
ếu kết tảng trên điện cực thì không chỉ kết quả sẽ sai mà còn có thể gây
hỏng thiết bị. Điều kiện tốt nhất cho lưu lượng kế điện từ là hoạt động ở
60% giá trị cực đại đo được.
Tiếp đất cho thiết bị
Lưu ý rằng các đoạn trong ống của lưu lượng kế điện từ phải là không dẫn
điện để đảm bảo mạch hoạt động chính xác. V
ì thế khi lắp đặt lưu lượng kế
điện từ th
ì việc tiếp đất là không thể qua bỏ qua.
Nhiệt độ và áp suất
Lưu lượng kế điện từ được thiết kế để vừa làm việc tại nhiệt độ và áp lực
vừa phải, không nên nhấn mạnh trong những mô tả kỹ thuật.
Lưu lượng kế điện từ đ
ã trở thành một trong những dòng công nghệ được sử
dụng rộng rãi trong 50 năm kể từ lần đầu tiên được giới thiệu. Chúng đơn
giản và bởi vì lưu lượng kế điện từ không có bộ phận chuyển động nên có
kh
ả năng hoạt động trong nhiều năm qua mà hầu như không cần bảo trì hoặc
việc bảo trì cũng rất đơn giản.