- Áp suất cần có ựể duy trì dòng chảy ổn ựịnh theo chiều ngang: Pρ = ω2ρ
3.2.3. Phương pháp ựo lưu lượng bằng cảm ứng ựiện từ.
a. Nguyên lý ựo.
Theo ựịnh luật cảm ứng ựiện từ của Faraday, một dây dẫn ựiện phát sinh một ựiện thế khi nó di chuyển trong một từ trường. điện thế này tỷ lệ với vận tốc di chuyển của dây dẫn ựiện và cường ựộ của từ trường.
Hiệu ứng này ựược dùng trong phương pháp ựo lưu lượng các chất lỏng dẫn ựiện có chứa các ion mang ựiện tắch.
Như thế theo ựịnh luật Faraday, khi các ion mang ựiện tắch q dịch chuyển cùng với lưu chất với vận tốc v có hướng thẳng góc với từ trường B, các ion này bị kéo lệch về một bên với lực Fm = qvB. Do sự phân bố các ion ta có một ựiện trường E phát sinh và tạo ra một lực Fe = qE tác dụng lên ion. Với ựiện trường E ta có một ựiện thế U ựo ựược ở hai ựiện cực nằm trên ống lưu chất có ựường kắnh D.
q = vB = qE = qU
D (3-12)
u = DvB (3-13)
Với vận tốc v, ta có lưu lượng tắnh theo thể tắch khi diện tắch mặt cắt ngang ống là π Qv = π 4 D 2 v (3-14) Qv = π 4 D B U (3-15)
Như thế ựiện thế ựo ựược là thước ựo của lưu lượng chất lỏng ựược tắnh bằng thể tắch trên ựơn vị thời gian.
Trong phương trình ta thấy không có thành phần ựộ dẫn ựiện σ. Nó không ựóng vai trò nào cho trị số hiệu ựiện thế U, tuy nhiên nó lại xác ựịnh trị số dẫn ựiện
Hình 3-9. a. Nguyên tắc ựo lưu lượng bằng hiệu ứng cảm ứng ựiện từ b. Mạch ựiện thay thế
trở trong Rq của nguồn ựiện. đó là ựiện trở của cột chất lỏng giữa hai ựiện cực. Với D là ựường kắnh của ống dẫn lưu chất, A là diện tắch của ựiện cực ta có:
Rq = σ1 Da (3-16)
Thiết bị ựo lưu lượng với cảm ứng ựiện từ là một nguồn ựiện có ựiện trở trong rất lớn (hình 3-9). để ựo ựược ựiện thế của nó ta cần một mạch khuếch ựại có ựiện trở vào cũng khá lớn.
b. Từ trường một chiều
Với phương pháp ựo lưu lượng bằng cảm ứng ựiện từ, ta có tắn hiệu hữu ắch ựo ựược khoảng vài mV. Tắn hiệu này bị một ựiện thế một chiều bất ựối xứng che lấp. Nguyên nhân của ựiện thế nhiễu này là do sự khác nhau của các thế ựiện hóa từ.
- Vật liệu của ựiện cực khác nhau do nhiễm bẩn hay sự kéo lệch các mạng tinh thể. - Bề mặt có sự khác nhau do bị oxi hóa hay bị bám bởi một lớp bẩn.
- Sự khác nhau của sự phân bố số bọt khắ và các vật thể không gian.
c. Từ trường xoay chiều hình sin
Hơn nữa với từ trường một chiều, các ựiện thế phân cực phát sinh cũng sẽ che lấp các ựiện thế cảm ứng và làm trị số ựo bị sai lệch. Do ựó người ta thường dùng ựến từ trường xoay chiều. điện thế ựo ựược có trị số ựỉnh vài mV. Tuy nhiên với thành phần từ trường phân tán của nam châm, ựiện thế cảm ứng phát sinh trong các dây ựo ựiện trường có trị số lớn hơn ựiện thế U cần ựo. Như thế ta cần phải tách tắn hiệu nhiễu do từ trường phân tán và tắn hiệu cần ựo. Tắn hiệu cần ựo tỉ lệ với cảm ứng B = Bsinωt, ựiện thế nhiễu tỉ lệ với ựạo hàm theo thời gian dB
dt = Bsinωt. điện thế hữu dụng và ựiện thế nhiễu có sự lệch pha 900. Như thế ta có thể dùng một mạch chỉnh lưu ựồng bộ với ựiện thế ựo ựể có ựiện thế ở ựầu ra sau khi lấy trị số trung bình không còn có thành phần ựiện thế nhiễu lệch pha π/2. Tuy nhiên với từ trường xoay chiều các khó khăn gặp phải khi ựo lưu lượng với cảm ứng ựiện từ vẫn chưa ựược giải quyết hết. Ta cần phải chú ý là tắn hiệu ựo chỉ có vài mV trong khi tắn hiệu cảm ứng nhiễu lớn gấp 105 ựến 106 lần. Tắn hiệu nhiễu trong thực tế có pha và biên ựộ thường không ổn ựịnh. Lưu chất có thể là nước thải không có ựộ dẫn ựiện cố ựịnh, nhiều lưu chất trạng thái nối ựất khác nhau.
d. Từ trường xung một chiều
Với từ trường xung có ựổi cực người ta có thể loại bỏ như ựiện thế nhiễu một chiều bất ựối xứng. Với phương pháp này một nam châm ựiện cho ta từ trường một chiều. Từ trường này ựược ựóng mở ựảo cựcẦ theo những khoảng thời gian nhất ựịnh. Trong hình dưới với sự ựảo cực của từ trường, trong những quãng thời gian có gạch sọc tổng và hiệu của tắn hiệu nhiễu và tắn hiệu ựo ựược và ghi lại trong bộ nhớ. Người ta lợi dụng sự kiện là khi ựảo cực, tắn hiệu ựo cũng ựảo cực trong khi ựó tắn hiệu nhiễu không ựảo cực. Tắn hiệu ựo ựược tách ra khi ta lấy tổng số hai tắn hiệu trừ ựi hiệu hai số tắn hiệu.
* Các tắnh chất kỹ thuật:
Máy ựo lưu lượng cảm ứng ựiện từ cho ta một ựiện thế tỉ lệ với lưu lượng trong một từ trường ựồng nhất khi mà hình dạng dòng chảy có ựối xứng xoay. Một ưu ựiểm của phương pháp ựo lưu lượng bằng cảm ứng ựiện từ là mặt cắt cảu dòng chảy không bị thu hẹp bởi các ống blende hay ống phun.
Phương pháp ựo này có thể thực hiện ựể ựo lưu lượng các chất lỏng dơ bẩn, chất kem sền sệt hay ngay cả với môi trường có tắnh chất ăn mòn cao như acid, kiềmẦTừ 10 ựến 100% thang ựo ta có sai số phép ựo nhỏ hơn 1%. Hình dưới là hình cảm biến ựo lưu lượng bằng phương pháp cảm ứng ựiện từ trong công nghiệp.
Tóm lại với phương pháp cảm ứng ựiện từ, ta có sự liên hệ rất tuyến tắnh giữa thể tắch tắnh trên ựơn vị thời gian và ựiện thế cần ựo. Khoảng ựo rất rộng và trị số ựo không bị ảnh hưởng bởi các thông số của lưu chất như ựộ nhớt, áp suất, nhiệt ựộ. Trong ống dẫn lưu chất không có vật cản, cảm biến ựược chế tạo có ựộ rộng chuẩn từ vài mm ựến vài m. Trong công
Hình 3-10. Từ trường xung một chiều
Hình 3-11. Cảm biến ựo lưu lượng bằng cảm ứng ựiện từ
nghiệp, thiết bị ựo lưu lượng với phương pháp cảm ứng ựiện từ ựược dùng ở những nơi có áp suất cao và nhiệt ựộ rất cao cũng như ở những nới dễ gây cháy nổ, ngập lụtẦPhương pháp ựo lưu lượng bằng cảm ứng ựiện từ dù có ựắt tiền và phức tạp hơn các phương pháp khác nhưng nó ựã ựược nghiên cứu và thử nghiệm rất lâu trong công nghiệp. Nó tỏ ra bền bỉ, ắt bị hư hỏng dù phải làm việc với những lưu chất ựộc hại, ăn mòn cao như nước thải, hóa chất.
Tuy nhiên, nhược ựiểm chắnh mà ta chưa khắc phục ựược ở loại lưu lượng kế này ựó là việc ựo ựược của nó phụ thuộc vào mật ựộ ion cần có trong chất cần ựo. Có lẽ ựây là nhược ựiểm không khắc phục ựược vì việc sử dụng ion trong chất cần ựo chắnh là nguyên lý làm việc của lưu lượng kế loại này.