Lưu lượng kế điện từ , thường được viết tắt là EMF hoặc mag meter, là một thiết bị hiệu suất cao được thiết kế để đo lưu lượng thể tích của chất lỏng dẫn điện. Thiết bị hoạt động dựa trên Định luật cảm ứng điện từ Faraday, một nguyên lý cơ bản của vật lý.
Nhờ thiết kế độc đáo không có bộ phận chuyển động, cảm biến EMF mang lại những lợi thế đáng kể, bao gồm tổn thất áp suất tối thiểu và khả năng đo chính xác các chất lỏng khó đo. Đây là lựa chọn lý tưởng cho các chất lỏng và bùn bẩn, ăn mòn hoặc mài mòn. Do đó, cảm biến này được tin dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như chế biến hóa chất, luyện kim, khai thác mỏ, bột giấy và giấy, thực phẩm và đồ uống. Cảm biến này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát hệ thống phân phối nước đô thị và xử lý nước thải.
Nguyên tắc cốt lõi: Định luật Faraday trong hành động
Định luật Faraday phát biểu rằng khi một vật dẫn điện chuyển động trong từ trường, một điện áp (lực điện động hay EMF) sẽ xuất hiện trên vật dẫn. Độ lớn của điện áp này tỷ lệ thuận với vận tốc chuyển động của vật dẫn, chiều dài của vật dẫn và cường độ từ trường.
Lưu lượng kế điện từ áp dụng nguyên lý này bằng cách coi chất lỏng dẫn điện là chất dẫn điện. Nguyên lý hoạt động của nó như sau:
Tạo từ trường: Thân máy đo, được gọi là ống đo, được trang bị các cuộn dây tạo ra từ trường được kiểm soát vuông góc với hướng dòng chảy.
Chất lỏng đóng vai trò là chất dẫn điện: Khi chất lỏng dẫn điện chảy qua từ trường này, nó sẽ "cắt" các đường sức từ.
Tạo ra điện áp: Hành động này tạo ra điện áp tỷ lệ thuận với vận tốc trung bình của chất lỏng đang chảy.
Đo điện áp: Hai điện cực, được lắp ở hai bên đối diện của thành ống, sẽ phát hiện điện áp cảm ứng này. Sau đó, một bộ truyền tín hiệu sẽ xử lý tín hiệu điện áp này để tính toán lưu lượng thể tích.
Mối quan hệ được mô tả bằng công thức:
U = B * D * v
Ở đâu:
U = Điện áp cảm ứng (điện thế giữa các điện cực)
B = Cường độ từ trường (mật độ từ thông)
D = Đường kính bên trong của ống đo
v = Vận tốc dòng chảy trung bình của chất lỏng
Từ đó, có thể tính được lưu lượng thể tích (Q). Điều quan trọng cần lưu ý là nguyên lý này dựa trên từ trường đồng nhất, chất lỏng dẫn điện và phi từ tính, cùng với biên dạng dòng chảy đối xứng trục.
Những cân nhắc thực tế: Từ trường có chiều dài hữu hạn
Đường cong hệ số hiệu chỉnh từ trường giới hạn
Trong ứng dụng thực tế, từ trường không thể mở rộng vô hạn. Nó mạnh nhất gần các điện cực và yếu dần ở hai đầu. Sự biến thiên này có thể tạo ra các biến dạng được gọi là dòng điện xoáy, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo - một hiện tượng được gọi là hiệu ứng cạnh.
Để bù đắp cho điều này, hệ số hiệu chỉnh (K) được áp dụng, đặc biệt là trong các đường ống có tỷ lệ chiều dài từ trường so với đường kính ống nhỏ. Đối với hầu hết các thiết kế hiện đại có dòng chảy nhiễu loạn, hiệu ứng cạnh không đáng kể nếu tỷ lệ này bằng hoặc lớn hơn 2,5.
Phương pháp kích thích: Cung cấp năng lượng cho từ trường
Hệ thống kích từ là trái tim của đồng hồ đo, vì nó tạo ra từ trường. Phương pháp được sử dụng quyết định quá trình xử lý tín hiệu và ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của đồng hồ đo. Có ba phương pháp chính:
1. Kích thích DC
Phương pháp này sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc nguồn điện một chiều (DC) để tạo ra từ trường không đổi. Mặc dù đơn giản và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu AC, kích thích DC có thể gây ra hiện tượng điện phân và phân cực điện cực trong chất lỏng dẫn điện. Điều này làm gián đoạn phép đo và gây ra sai số. Do đó, kích thích DC thường được dành riêng để đo các chất lỏng không điện phân như kim loại lỏng (ví dụ: natri hoặc thủy ngân).
2. Kích thích AC
Sử dụng nguồn điện xoay chiều tần số công nghiệp (ví dụ: 50Hz) sẽ tạo ra từ trường hình sin. Phương pháp này tránh được các vấn đề phân cực của kích thích DC nhưng lại có những thách thức riêng:
Giao thoa vuông góc: Từ trường xoay chiều có thể tạo ra điện áp "hiệu ứng biến áp" không mong muốn trong mạch điện cực, có thể lớn hơn nhiều so với tín hiệu dòng chảy thực tế.
Nhiễu cùng pha (Chế độ chung): Tín hiệu nhiễu có cùng pha với tín hiệu dòng chảy có thể xuất hiện trên cả hai điện cực, thường do dòng điện đi lạc hoặc cảm ứng tĩnh điện gây ra.
Sự không ổn định: Sự thay đổi điện áp hoặc tần số của nguồn điện xoay chiều có thể làm thay đổi cường độ từ trường, dẫn đến sai số khi đo.
3. Kích thích sóng vuông tần số thấp
Đây là phương pháp tiên tiến và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nó kết hợp những ưu điểm của cả phương pháp DC và AC. Bằng cách sử dụng sóng vuông tần số thấp (ví dụ: 3-30Hz), nó:
Loại bỏ sự phân cực bằng cách liên tục đảo ngược trường.
Tránh nhiễu vuông góc bằng cách đo tín hiệu dòng chảy trong các chu kỳ ổn định của sóng vuông.
Ngăn chặn dòng điện xoáy, mang lại độ ổn định điểm không tuyệt vời và độ chính xác cao.
Những tiến bộ hiện đại tiếp tục cải tiến kỹ thuật này với những đổi mới như kích thích sóng vuông ba trạng thái và hai tần số, giúp nâng cao hơn nữa hiệu suất và độ tin cậy của lưu lượng kế điện từ.
