Lịch sử của lưu lượng kế điện từ

Giới thiệu về lưu lượng kế điện từ

Đo lưu lượng bằng nguyên lý cảm ứng điện từ là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong số nhiều phương pháp đo lưu lượng. Nó có thể đo vận tốc dòng chảy và lưu lượng của chất lỏng dẫn điện trong nhiều hình dạng kênh dòng chảy khác nhau và là ứng dụng của định luật cảm ứng điện từ Faraday. Lưu lượng kế điện từ là một thiết bị được sử dụng rộng rãi và giá cả phải chăng.

Phát hiện ra cảm ứng điện từ

Định luật cảm ứng điện từ được nhà vật lý người Anh Faraday phát hiện vào năm 1831. Định luật cảm ứng điện từ của Faraday phát biểu rằng khi một dây dẫn cắt các đường sức từ trong từ trường, một suất điện động cảm ứng vuông góc với hướng của từ trường và hướng chuyển động của dây dẫn sẽ được cảm ứng ở cả hai đầu của dây dẫn. Độ lớn của suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với cường độ cảm ứng từ và tốc độ chuyển động.

Thí nghiệm lưu lượng kế điện từ đầu tiên

Năm 1832, Faraday đặt hai thanh kim loại làm điện cực ở hai bên cầu Waterloo trên sông Thames ở vị trí vuông góc với hướng dòng nước chảy và theo hướng của từ trường địa từ. Đây là thí nghiệm lưu lượng kế điện từ đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, do các phản ứng điện hóa, hiệu ứng nhiệt điện, v.v., tín hiệu đo được là sai và tín hiệu lưu lượng bị ngắn mạch bởi lòng sông. Ngoài ra, do hạn chế về điều kiện đo lường tại thời điểm đó, ông đã thất bại. May mắn thay, vào năm 1851, ông đã chứng kiến sự thành công của Wollsaton và những người khác trong việc đo thủy triều của Kênh đào Anh bằng phương pháp cảm ứng điện từ.

Faraday đã khám phá ra định luật cảm ứng điện từ

Những phát triển ban đầu trong lưu lượng kế điện từ

Năm 1917, Smith và Spirean đã được cấp bằng sáng chế cho việc ứng dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để sản xuất máy đo tốc độ tàu thủy và khuyến nghị sử dụng kích thích AC để khắc phục hiệu ứng phân cực của nước, do đó mở ra ứng dụng của máy đo dòng điện điện từ trong hải dương học.

Tiến bộ và đóng góp lý thuyết

Năm 1930, Williams đã tạo ra một dung dịch đồng sunfat chảy trong một ống tròn không dẫn điện được đặt trong từ trường DC. Điện áp DC giữa hai điện cực của ống tròn tỷ lệ thuận với lưu lượng. Thiết bị này đã trở thành một lưu lượng kế điện từ đơn giản. Williams đã sử dụng các phương pháp toán học để phân tích ảnh hưởng của phân bố vận tốc dòng chảy trong ống tròn đối với phép đo lần đầu tiên và đề xuất lý thuyết rằng phân bố vận tốc dòng chảy đối xứng với trục trung tâm của ống không ảnh hưởng đến độ chính xác đo lường của lưu lượng kế điện từ. Mặc dù phân tích của ông sai về mặt toán học, nhưng lý thuyết cơ bản của lưu lượng kế điện từ đã được thiết lập từ đó trở đi.

Ứng dụng sinh học và những tiến bộ sau chiến tranh

Vào khoảng năm 1932, dựa trên đề xuất của Fabre, các nhà sinh vật học Willams và A. Colin đã sử dụng thành công lưu lượng kế điện từ để đo và ghi lại lưu lượng máu động mạch tức thời.

Sau Thế chiến II, ngành năng lượng nguyên tử phát triển nhanh chóng, cho phép đo nam châm vĩnh cửu của kim loại lỏng, lưu lượng kế điện từ đã được phát triển và ứng dụng. Tuy nhiên, do công nghệ điện tử lạc hậu vào thời điểm đó, lĩnh vực ứng dụng của nó không thể mở rộng ra ngành công nghiệp nói chung.

Sự áp dụng công nghiệp và mở rộng toàn cầu

Năm 1950, người Hà Lan lần đầu tiên sử dụng lưu lượng kế điện từ bùn để đo lưu lượng bùn trên tàu nạo vét. Sau đó, lưu lượng kế điện từ được sử dụng trong sản xuất công nghiệp nói chung tại Hoa Kỳ.

Năm 1955, Hokushin Electric và Yokogawa Electric của Nhật Bản lần lượt giới thiệu các sản phẩm lưu lượng kế điện từ của Fischer & Porter và Foxboro của Hoa Kỳ. Sau quá trình tiêu hóa, hấp thụ và cải tiến liên tục, lưu lượng kế điện từ của họ đã sớm trở nên tiên tiến trên thế giới. Khoảng năm 1955, Liên Xô cũ, Anh và Đức cũng đã sản xuất thành công lưu lượng kế điện từ.

Phân tích toán học và sự trưởng thành về công nghệ

Vào đầu những năm 1960, JA Shercliff đã hoàn thành phân tích toán học về lưu lượng kế điện từ có từ trường đồng nhất vô hạn của A. Kolin và những người tiền nhiệm khác.

Phân tích toán học về vận tốc dòng chảy dưới từ trường đều có chiều dài hữu hạn và lý thuyết hàm trọng lượng đã tiết lộ các đặc điểm vi mô của lực điện động cảm ứng, khiến lưu lượng kế điện từ có lý thuyết cơ bản có hệ thống. Đồng thời, trong điều kiện phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp điện tử và sự cải thiện liên tục về mức độ tự động hóa công nghiệp, lưu lượng kế điện từ đã dần được cải thiện và trưởng thành, và phát triển thành lưu lượng kế có hiệu suất tuyệt vời, đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Từ cuối những năm 1960 đến giữa những năm 1970, với việc nghiên cứu sâu về các hàm trọng số ba chiều, các lưu lượng kế điện từ có từ trường phân phối có trọng số đã xuất hiện, giúp rút ngắn đáng kể chiều dài từ trường hạn chế và cải thiện độ nhạy của phép đo đối với vận tốc dòng chảy ở một mức độ nhất định. Đồng thời, nó cũng có lợi cho việc đơn giản hóa sản xuất lưu lượng kế và giảm chi phí. Kết quả nghiên cứu về các hàm trọng số ba chiều có ý nghĩa định hướng quan trọng cho sự phát triển của lưu lượng kế điện từ trong giai đoạn này. Do sự phát triển nhanh chóng của các mạch tích hợp trong giai đoạn này và các yêu cầu về hiệu suất cao hơn đối với các thiết bị đo lưu lượng do cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới đưa ra, một công nghệ mới về kích thích sóng hình chữ nhật tần số thấp đã xuất hiện. Lưu lượng kế điện từ kích thích sóng hình chữ nhật tần số thấp tập trung các ưu điểm của lưu lượng kế kích thích AC trong việc ngăn chặn nhiễu phân cực trong tín hiệu từ trường DC và giảm các thành phần tín hiệu nhiễu cảm ứng điện từ có trong tín hiệu của lưu lượng kế từ trường AC. Nó cải thiện độ ổn định bằng không, độ nhạy và độ chính xác đo lường của lưu lượng kế, giảm mức tiêu thụ điện năng, giải quyết các vấn đề về khả năng hoán đổi và tạo thành đỉnh cao trong quá trình phát triển lưu lượng kế điện từ.

Tiến bộ và ứng dụng hiện đại

Từ những năm 1980, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử và máy tính đã làm cho công nghệ sản xuất lưu lượng kế điện từ trở nên hoàn thiện và trưởng thành hơn, và lĩnh vực ứng dụng của nó đã được mở rộng hơn nữa. Lưu lượng kế điện từ hiện đại sử dụng công nghệ máy vi tính đơn chip và phương pháp xử lý kỹ thuật số để liên tục cải thiện độ chính xác đo lường và hiệu suất của lưu lượng kế điện từ, đồng thời có thể tận dụng đầy đủ các ưu điểm của máy tính trong khả năng lưu trữ thông tin, xử lý chia sẻ thời gian, tính toán và điều khiển. Do đó, việc thực hiện các chức năng bổ sung như đo hai chiều, phát hiện ống rỗng, chuyển mạch tự động đa phạm vi, đối thoại giữa người và máy tính, giao tiếp với máy chủ và tự chẩn đoán tương đối dễ dàng. Thế hệ lưu lượng kế điện từ mới với giao thức HART và các bus trường khác cung cấp cho người dùng các điều kiện để thực hiện kiểm soát và quản lý sản xuất bus trường hoàn toàn mới. Do đó, lưu lượng kế điện từ tích hợp, hai dây, chống cháy nổ, áp suất cao và có khả năng giao tiếp ngày càng trở nên phổ biến hơn trong việc điều khiển tự động các quy trình sản xuất công nghiệp như hóa chất, dầu khí, thép và luyện kim.

Công nghệ mới nổi và hướng đi trong tương lai

Với sự mở rộng của lĩnh vực ứng dụng, nhiều hệ thống và thiết bị đo thể tích chất lỏng dẫn điện mới sử dụng phương pháp cảm ứng điện từ đã xuất hiện, chẳng hạn như lưu lượng kế điện từ điện dung có thể đo độ dẫn điện thấp,
Lưu lượng kế điện từ toàn ống một phần để đo thoát nước trọng lực, lưu lượng kế điện từ chìm để đo kênh hở, lưu lượng kế điện từ và lưu lượng kế điện từ lắp có thể đo vận tốc dòng chảy điểm trong kênh hở và đường ống có đường kính lớn, và hệ thống đo kênh hở bao gồm phương pháp vận tốc dòng chảy điện từ-mực nước, v.v.

Phát triển lưu lượng kế điện từ ở Trung Quốc

Trung Quốc bắt đầu phát triển lưu lượng kế điện từ vào cuối những năm 1950 và Nhà máy dụng cụ Thượng Hải Guanghua bắt đầu cung cấp sản phẩm cho xã hội vào đầu những năm 1960. Năm 1967, Viện nghiên cứu dụng cụ tự động hóa công nghiệp Thượng Hải, Nhà máy dụng cụ Thượng Hải Guanghua, Nhà máy dụng cụ Khai Phong, Nhà máy dụng cụ tự động hóa Thiên Tân số 3, v.v. đã tham gia vào thiết kế thống nhất toàn quốc về lưu lượng kế điện từ được tổ chức tại Viện nghiên cứu dụng cụ tự động hóa công nghiệp Thượng Hải. Mặc dù thời gian ngắn, mọi người đã cùng nhau động não và nâng cao hiểu biết về lưu lượng kế điện từ. Trong vòng chưa đầy một năm, một loạt lưu lượng kế từ tính của Trung Quốc đã được thiết kế và phát triển. Quan trọng hơn, thiết kế thống nhất toàn quốc về lưu lượng kế điện từ này đã đặt nền móng cho sự phát triển tiếp theo của lưu lượng kế điện từ tại Trung Quốc và bồi dưỡng nhân tài.

Tiến bộ và tiến bộ công nghệ của Trung Quốc

Vào giữa những năm 1970, chịu ảnh hưởng của các nước công nghiệp tiên tiến, nghiên cứu về lý thuyết lưu lượng kế điện từ ở Trung Quốc cũng đạt đến đỉnh cao. Vào tháng 6 năm 1975, các nhà vật lý nổi tiếng, Giáo sư Vương Trúc Hy và Giáo sư Triệu Khai Hoa của Đại học Bắc Kinh đã được nhiều nhà khoa học lưu lượng kế từ nổi tiếng của Trung Quốc mời đến để tiến hành phân tích toán học nghiêm ngặt về lý thuyết hàm trọng số của lưu lượng kế điện từ và thuyết trình, dẫn đến sự tham gia tích cực của nhiều trường đại học như Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung, Đại học Khoa học và Công nghệ Đông Bắc và Đại học Giao thông Thượng Hải trong nghiên cứu lý thuyết lưu lượng kế điện từ và phát triển các sản phẩm lưu lượng kế điện từ trường phân tán có trọng số của nước tôi.

Tình hình hiện tại và triển vọng tương lai

Lưu lượng kế điện từ của Trung Quốc là một trong những sản phẩm công nghệ cao đã đi theo con đường cải cách sớm hơn và thành công hơn, giới thiệu công nghệ tiên tiến của nước ngoài và thành lập liên doanh với các doanh nghiệp tiên tiến của nước ngoài. Điều này không chỉ giúp các doanh nghiệp sản xuất lưu lượng kế điện từ xương sống phát triển nhanh chóng mà còn thúc đẩy tiến bộ công nghệ của các doanh nghiệp vừa và nhỏ khác sản xuất lưu lượng kế điện từ. Hiện nay, sản xuất lưu lượng kế điện từ của nước tôi về cơ bản dựa trên sự kích thích sóng hình chữ nhật tần số thấp và đã dần bước vào kỷ nguyên từ trường có trọng số và lưu lượng kế thông minh. Kích thước cảm biến lưu lượng kế từ dao động từ 3mm đến 3000mm và độ chính xác đo lường nằm trong phạm vi ± 0,3% R hoặc ± 1% FS. Số lượng nhà sản xuất lưu lượng kế điện từ của Trung Quốc đã tăng từ 4 vào đầu những năm 1980 lên khoảng 30 hiện nay; sản lượng đã tăng từ dưới 1.000 bộ mỗi năm lên gần 30.000 bộ mỗi năm hiện nay. Cho dù xét về trình độ công nghệ sản xuất, khả năng phát triển hay phát triển thị trường, khoảng cách giữa lưu lượng kế điện từ của Trung Quốc và trình độ tiên tiến của thế giới đang nhanh chóng thu hẹp.

Trung Quốc đã xây dựng tiêu chuẩn công nghiệp lưu lượng kế điện từ vào năm 1980. Với sự phát triển và tiến bộ của công nghệ, nó đã được sửa đổi vào năm 1999 và thông qua tiêu chuẩn quốc tế ISO (ISO 9104:

Tiêu chuẩn quốc gia GB/T 18659-2002 [Phương pháp đánh giá hiệu suất của lưu lượng kế điện từ để đo lưu lượng chất lỏng dẫn điện trong đường ống kín] và GB/T 18660-2002 [Phương pháp sử dụng lưu lượng kế điện từ để đo lưu lượng chất lỏng dẫn điện trong đường ống kín] đã được ban hành. Điều này sẽ giúp lưu lượng kế điện từ của Trung Quốc theo kịp các tiêu chuẩn quốc tế trong tương lai và tạo điều kiện cho sự phát triển của lưu lượng kế điện từ của Trung Quốc.