CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯU LƯỢNG KIỂU ĐIỆN TỪ ( MAGNETIC FLOWMETTER)

Khi vật dẫn điện chạy qua vuông góc với 1 từ trường, một điện áp được tạo ra  trong vật dẫn đó vuông góc với cả dòng từ thông và hướng chuyển động. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ, và nó là nguyên lý hoạt động cơ bản của hầu hết các máy phát điện.
Trong cơ chế hoạt động của máy phát điện thì vật dẫn ở đây là một cuộn dây(hoặc là nhiều cuộn dây). Tuy nhiên, không có lý do gì để vật dẫn ở đây phải được làm bằng đồng. Bất kỳ một chuyển động nào của vật dẫn điện là đủ để tạo ra một điện áp cảm ứng, thậm chí nó có thể là chất lỏng. Do đó, hiện tượng cảm ứng điện từ là một kỹ thuật được áp dụng để đo lưu lượng của dòng chất lỏng.

Nguyên lý làm việc của lưu lượng kế kiểu điện từ

Hãy xem xét dòng nước chảy thông qua 1 đường ống, với 1 từ trường vuông góc xuyên qua đường ống. 
Hướng của dòng chảy chất lỏng cắt vuông góc với từ thông , tạo ra một điện áp dọc theo 1 trục vuông góc với cả hai. Hai điện cực được đặt đối diện nhau trong thành ống sẽ lấy ra điện áp này, và nó sẽ được đọc bởi 1 mạch đo điện áp.
Điện áp gây ra bởi chuyển động thẳng của vật dẫn đi qua một từ trường được gọi là motional EMf, độ lớn của nó được tính bằng công thức sau( giả sử hướng của vận tốc dòng chảy vuông góc với dòng từ thông và cả 2 vuông góc với trục điện áp đo được):

E = Blv

Ở đây,
E = Điện áp cảm ứng (V)
B = Mật độ từ thông ( độ lớn của từ trường) (Tesla)
l = Chiều dài của vật dẫn chạy qua từ trường ( m)
v = Vận tốc vật dẫn ( m/s)
Giả sử cường độ từ trường là cố định( B không đổi) và khoảng cách giữa các điện cực bằng với đường kính của đường ống(l=d không đổi). Biến có khả năng ảnh hưởng đến độ lớn của điện áp cảm ứng chỉ có thể là vận tốc(v). Trong ví dụ này, vận tốc ở đây không phải là vận tốc của 1 đoạn dây mà là vận tốc trung bình của dòng chảy của chất lỏng(v).
Chúng ta thấy rằng điện áp này sẽ tỉ lệ với vận tốc trung bình của dòng chảy và nó cũng sẻ tỉ lệ với lưu lượng vì lưu lượng cũng tỉ lệ với vận tốc trung bình của dòng chảy. Do đó chúng ta có một loại lưu lượng kế dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Lưu lượng kế này thường được gọi là lưu lượng kế điện từ ( magnetic flowmeter) hay đơn giản hơn là magflow meter. 
Chúng ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp cảm ứng ( E) và lưu lượng (Q) bằng các phép biến đổi.
Đầu tiên chúng ta viết công thức liên quan đến lưu lượng và vận tốc trung bình và sau đó vận dụng nó để giải quyết vấn đề về vận tốc trung Bình
Q=Av
Q/A= v
Tiếp theo chúng ta có công thức tính điện áp cảm ứng như đầu bài viết đã nói đến. Và thay thế v bằng Q/A ta sẽ có 1 công thức biểu diễn mối quan hệ của các đại lượng điện áp cảm ứng (E), lưu lượng (Q), cường độ từ trường (B), đường kính đường ống d và tiết diện đường ống (A):
E=Bdv
E = Bd*Q/A
E =BdQ/A

Giả sử đường ống là hình tròn và chúng ta biết tiết diện đường ống và đường kính đường ống có liên quan đến nha bằng công thức A = πd2/4 . như vậy chúng ta có thể thay thế công thức này vào phương trình trên kia để có 1 phương trình có ít biến hơn:
E =BdQ     /    πd2/4

E =BdQ4/πd2
E =4BQ/πd
Nếu chúng ta muốn 1 công thức xác định lưu lượng Q theo điện áp cảm ứng E, chúng ta có thể dùng một số phép biến đổi đại số để đưa ra công thức tính Q như sau:
Q =πdE/4B
Công thức trên chỉ dùng để tính lưu lượng trong điều kiện lý tưởng, và để bù đắp những khiếm khuyết trong thực tế ta sẽ thêm 1 hằng số tỉ lệ k và ta có công thức cuối cùng như sau:

Q = k πdE/4B

Ở đây,
Q = lưu lượng dòng chảy(m3/s)
E = điện áp cảm ứng (V)
B = cường độ từ trường (Tesla)
d = đường kính đường ống (meters)
Lưu ý về sự tuyến tính của phương trình này. Chúng ta ko thấy bất kỳ một nguồn,hàm toán học phi tuyến trong phương trình lưu lượng kế kiểu điện từ, điều này có nghĩa ko có đặc tính đặc biệt nào cần lưu ý trong tính toán lưu lượng.
Một vài điều kiện cần được đáp ứng để có thể tính toán chính xác lưu lượng từ điện áp cảm ứng:

• Chất lỏng phải là chất dẫn điện tốt,.
• cả 2 điện cực phải tiếp xúc với chất lỏng.
• Đường ống phải được đổ đầy bằng chất lỏng.
• Các đầu đo lưu lượng phải được nối đất đúng cách để tránh các sai số do dòng điện rò trong chất lỏng.
 điều kiện đầu tiên được đáp ứng bằng cách cẩn thận.

Điều kiện đầu tiên được đáp ứng bằng cách cẩn thận xem xét chất lỏng quá trình trước khi cài đặt. Nhà sản xuất lưu lượng kế kiểu điện từ sẽ đưa ra độ dẫn tối thiểu của chất lỏng cần đo.

Điều kiện thứ 2 và thứ 3 được đáp ứng bằng độ chính xác trong cách lắp đặt đầu đo lưu lượng kiểu điện từ trong đường ống. Việc lắp đặt phải bằng cách nào đó đảm bảo nước luôn phải đầy trong đường ống( ko có lẫn bọt khí). Đầu đo lưu lượng thường được lắp đặt với các điện cực đối diện nhau và nằm ngang ( ko bao giờ theo chiều dọc) ngay cả một bọt khí chạy qua tức thời cũng ko làm gián đoạn sự truyền dẫn giữa các điện cực và lưu lượng của chất lỏng. Những bức hình dưới đây cho thấy việc cài đặt không đúng của lưu lượng kế điện từ:

Lưu ý trong ví dụ này thì các điện cực được định hướng theo chiều dọc thay vì theo chiều ngang bởi vì 2 đường ống được lắp đặt quá gần để có không gian đủ để lắp đặt các điện cực nằm ngang. Đáng buồn là việc cài đặt không đúng này rất phổ biến ở các dự án mới, Nhiều nhà thiết kế ko hiểu rõ nguyên lý của thiết bị đo lưu lượng kiểu điện từ.
Đây là điều mà kỹ sư và kỹ thuật viên đo lường phải ngăn chặn việc lắp đặt sai này.
Độ dẫn điện của chất lỏng phải đáp ứng 1 giá trị tối thiểu nào đó, nhưng đó ko phải là tất cả. Thật đáng ngạc nhiên là với một số kỹ thuật việc độ dẫn điện của chất lỏng ko ảnh hưởng hay ảnh hưởng ít đến độ chính xác của phép đo lưu lượng. Nó ko phải như là việc tăng gấp đôi độ dẫn của chất lỏng sẽ dẫn đến tăng gấp đôi điện áp cảm ứng. Điện áp này chỉ phụ thuộc vào kích thước vật lý, cường độ từ trường và vận tốc chất lỏng.
Chất lỏng dẫn điện kém được xem như là môt điện trở có trở kháng lớn hơn chất lỏng có độ dẫn điện lớn, nhưng điều này là ko đáng kể vì trở kháng đầu vào của mạch đo thường là rất cao.
Ảnh hưởng của độ dẫn điện của chất lỏng trong hoat động đo lưu lượng có thể mô tả bằng mạch điện Dc sau:

Ở đây, việc thay đổi 10 lần điện kháng chất lỏng hầu như ko ảnh hưởng đến điện áp đo được ( 49,995 mV so với 49,95mV) bởi vì các mạch điện tử của transmitter phát hiện điện áp cảm ứng có điện kháng đầu vào cao.

Giá trị của điện trở tương đương của chất lỏng phải cao hơn các giá trị trong ví dụ này thì mới có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của phép đo.

Trong thực tế, độ dẫn điện của chất lỏng theo thời gian chỉ là một vấn đề khi chất lỏng  có độ dẫn điện kém. Chất lỏng này bao gồm các nưới đã đc khử ion ( như nước cấp lò hơi, nước tinh kiết cho dược phẩm, sản xuất bán dẫn ) và các loại dầu.

Hầu hết các chất lỏng( dạng cơ bản của nước) đều hoạt động tốt với lưu lượng kế kiểu điện từ.

Nối đất đúng cách là điều rất quan trọng đối với lưu lượng kế kiểu điện từ. Điện áp cảm ứng được tạo ra bởi dòng chảy là rất nhỏ( cở mV có thể hơn), và có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện áp như là dòng điện rò trong đường ống hay chất lỏng. Để chống lại điều này, lưu lượng kế kiểu điện từ được trang bị dây dẫn nối đất có tác dụng loại bỏ ( bypass) dòng điện rò trong đường ống do vậy điện áp cảm ứng chỉ đc tạo ra bởi dòng dịch chuyển chất lỏng và không có bất kỳ 1 sụt áp nào được tạo ra bởi dòng điện rò đi qua điện kháng của chất lỏng.

Bức ảnh dưới đây cho thấy lưu lượng kế điện từ model 8700 của rosemount, với 2 dây bện 41 nối đất rất rõ ràng.

Lưu ý là cả 2 dây nối đất được nối với nhau tại một điểm chung trên thân đàu đo lưu lượng. Điểm chung này được nối với hệ thống tiếp địa trong quá trình lắp đặt. Ngoài ra nó còn có 1 điểm nối đất nữa tại đường ống mà ko thấy rõ ở trong hình.   

Trong trường hợp đường ống là kim loại và được kết nối với lưu lương kế điện từ qua một tấm lót cách điện chống mài mòn, một dây nối đất nữa sẽ kết nối từ điểm nối đất chung đến đường ống kim loại như hình dưới:

Nêu đường ống kết nối với lưu lượng kế làm bằng vật liệu ko dẫn điện( ví dụ như nhựa) nối đất ở mặt bích kết nối đường ống và lưu lượng kế là vô nghĩa.
Để đảm bảo nối đất cho thiết bị tránh ảnh hưởng bởi các dòng điện rò thì chúng ta phải nối đất tại điểm nối đất đặc biệt được thêm vào  mà nó phải tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng như hình vẽ dưới đây:

Một số lưu lượng kế điện từ có phần xử lý tín hiệu nằm tách rời với đường ống. Một vài ví dụ dưới đây( 1 cặp đồng hồ lưu lượng endress+ hauser bên trái và một đồng hồ đo lưu lượng lớn toshiba ở hình bên phải):  

    

Một số thiết bị đo lưu lượng điện từ có phần điện tử tách riêng hoàn toàn với đầu đo lưu lượng, chúng được kết nối với nhau bằng 1 cáp tín hiệu bọc nhiễu. Trong trường hợp này thì phần mạch đo điện tử được gọi là flow transmitter FT ( bộ chuyển đổi lưu lượng) và phần đầu đo lưu lượng được gọi là flow element FE 

Hình ảnh tiếp theo cho thấy một flow element màu đen và 1 flow transmitter màu xanh dùng để đo lưu lượng nước thải  tại một nhà máy xử lý nước thải đô thị:

Lưu ý là đường ống được lắp thẳng đứng đảm bảo sự liên lạc liên tục giữa 2 bản cực trong điều kiện nước chảy.
Trong khi về mặt lý thuyết thì một nam châm vĩnh cửu có thể cung cấp thông lượng từ tính cần thiết cho phép đo nhưng mà trong công nghiệp không bao giờ được thực hiện.
Lý do cho việc này đó là do hiện tượng gọi là sự phân cực khi 1 điện áp đc đặt vào chất lỏng có chứa các ion( phần tử điện tích). phần tử mang điện tích có xu hướng tiến lại cực có diện tích trái dấu với điện tích của nó mà trong trường hợp này là các điện cực đo lưu lượng. Sự phân cực này sẽ ảnh hưởng đến sự phát hiện điệp áp nếu lưu lượng kế điện từ chúng ta dùng một từ thông liên tục ko đổi từ nam châm vĩnh cữu.
Một giảm pháp đơn giản là tạo ra sự thay đổi luân phiên cực tính của từ trường, như vậy thì điện áp thu được giữa 2 bản cực cũng liên tục thay đổi làm cho cóc ion ko có đủ thời gian để phân cực.

Đó là lý do tại sao mà đầu đo lưu lượng kiểu điện từ luôn dùng  cuộn dây nam châm điện để tạo ra từ thông mà ko phải là dùng nam châm vĩnh cữu.

phần mạch điện tử trong lưu lượng kế tạo ra dòng điện cực tính thay đổi luân phiên để tạo sự thay đổi luân phiên cực tính của điện áp cảm ứng của sự dịch chuyển dòng chất lỏng. Nam châm vĩnh cửu với các cực từ ko đổi cuả nó sẽ chỉ tạo ra một điện áp cảm ứng với cực tính ko đổi, dẫn đến sự phân cực của các ion trong chất lỏng và tiếp đó gây ra sai số cho phép đo lưu lượng. 

Bức ảnh dưới đây cho thấy một lưu lượng kế điện từ của Foxboro với 1 phần vỏ bảo vệ bị tháo ra và chúng ta có thể thấy rõ ràng cuộn dây bên trong ( màu xanh:

Hoạt động đơn giản của cuộn dây nam châm điện là khi cuộn dây được cấp bởi nguồn điện AC 60hz từ đường dây nguồn như là đối với lưu lượng kế Foxboro này. điện áp cảm ứng tạo ra bởi dòng chảy chất lỏng tỉ lệ với vận tốc chất lỏng và mật độ từ trường đc tạo ra bởi 1 cuộn dây như vậy sẽ là một dao động hình sinh có biên độ dao động tỉ lệ với lưu lượng.

Nhưng nếu có bất kỳ một dòng điện rò nào đi qua dòng chất lỏng tạo nên sụt áp giữa 2 điện cực 

Với cuộn dây nam châm điện được tạo bởi nguồn Ac 60hz thì với bất kỳ một nhiễu điện áp nào cũng có thể gây sai số  bởi vì sensor điện tử không thể nào phân biệt được nhiễu 60Hz và điện áp cảm ứng 60Hz được tạo bởi lưu lượng chất lỏng.

Một giải pháp phức tạp hơn cho vấn đề này là sử dụng một nguồn xung cho cuộn dây lưu lượng kế. các nhà sản xuất lưu lượng kế điện từ thường gọi là nguồn "kích thích" DC nhưng đó là 1 sai lầm bởi vì nguồn DC này đảo cực tính liên tục xuất hiện như một sóng vuông AC hiển thị trên dao động ký điện tử. Điện áp cảm ứng thu được giữa 2 điện cực vẫn là 1 dao động như dao động tương tự và có biên độ tỉ lệ với lưu lượng dòng chảy chất lỏng. Cảm biến điện tử sẽ dễ dàng loai bỏ bất kỳ một điện áp nhiễu nào vì điện áp sinh ra bởi các điện cực có tần số khác với tần số điện áp nhiễu ( 60Hz AC).

Nhược điểm lớn nhất của xung DC trong lưu lượng kế kiểu điện từ là thời gian đáp ứng chậm hơn sự thay đổi tốc độ dòng chảy. Trong một nổ lực để đạt được kết quả chính xác. Một số nhà sản xuất lưu lượng kế kiểu điện từ sản xuất ra lưu lượng kế mà cuộn dây được cấp 2 tần số hỗ hợp. Kết quả là tín hiệu điện áp giữa 2 điện cực được điều chế và được hiểu như là tốc độ dòng chảy.

Nguồn: Vakratoond