Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Cập nhật lần cuối ngày 18/11/2023 lúc 11:30 sáng

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, được biết đến là loại thiết bị đo lưu lượng, mang nhiều ưu điểm nổi bật như: Không tiếp xúc trực tiếp vời lưu chất, khả năng đo lường với độ chính xác cao, khả năng ứng dụng đa dạng,… Chính vì điều này mà chúng có thể ứng dụng, cho việc đo lưu lượng dòng chảy của nhiều hệ thống khác nhau.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau làm rõ những thông tin hữu ích về loại máy đo lưu lượng này.

Giới thiệu về đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm là một loại đồng hồ đo lưu lượng, dùng để đo lưu lượng dòng chảy của chất lỏng bằng cách sử dụng sóng siêu âm, truyền qua thành đường ống vào trong dòng chảy của chất cần đo. Thiết bị bị bao gồm một đầu phát sóng và một đầu thu sóng, được nối với bộ phận điện tử thông qua hai dây cáp .

Dựa trên nguyên lý hoạt động ta chia đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thành hai loại: Loại hoạt động thông qua sự chênh lệch về thời gian, và loại hoạt động dựa trên sự thay đổi về tần số.

Đồng hồ này hoạt động bằng cách phát ra sóng âm có tần số cao (sóng siêu âm) vào trong chất lỏng. Những sóng siêu âm này sẽ truyền qua chất lỏng và phản xạ trở lại từ các hạt, bọt khí, hoặc các vật chất có tính chất khác nhau trong dòng chảy, những vật chất này là thay đổi tần số của sóng âm phát ra, từ đó tính toán để đưa ra tốc độ của dòng chảy.

Tốc độ của sóng bị ảnh hưởng bởi vận tốc của chất lỏng, và sự khác biệt trong thời gian mà sóng đi từ “đầu phát sóng” đến “đầu thu sóng”, được sử dụng để tính toán lưu lượng dòng chảy của chất lỏng.

Thiết bị này hoạt động thông qua việc phát ra sóng âm có tần số cao, để đo lưu lượng của dòng chảy, nên thiết bị được coi là loại đồng không xâm phạm dòng chảy, điều này đảm bảo công tác đo lường không làm ảnh hưởng đến, chất lưu làm việc bên trong hệ thống, đồng thời nâng cao độ bền của chính thiết bị đo.

Ngoài cái tên đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, thiết bị này còn được biết đến với tên gọi lưu lượng kế siêu âm, tên tiếng anh là Ultrasonic Flow Meters.

Sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng âm có tần số cao hơn giới hạn trên của khả năng nghe của con người, tức là tần số trên 20 kHz.

Sóng siêu âm được tạo ra bằng cách sử dụng các thiết bị phát sóng siêu âm, có thể phát ra các sóng có tần số khác nhau. Chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm y học, công nghiệp, khoa học và công nghệ.

Sóng siêu âm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bởi vì những đặc tính như:

• Khả năng đi xuyên qua các loại vật liệu: Sóng siêu âm có khả năng thâm nhập vào các vật liệu như kim loại, gốm sứ và thủy tinh, giúp cho việc phát hiện, kiểm tra và xử lý trở nên hiệu quả hơn.
• Khả năng phản xạ: Sóng siêu âm có khả năng phản xạ khá tốt từ các vật liệu khác nhau, giúp cho việc phát hiện và đo lường trở nên chính xác hơn.
• Tốc độ truyền sóng: Sóng siêu âm có tốc độ truyền nhanh hơn âm thanh thông thường trong môi trường khí và chậm hơn trong môi trường chất lỏng.

Và nhiều đặc tính khác nữa.

Lịch sử phát triển

Vào năm 1842 nhà vật lý người Áo Christian Doppler, đã phát hiện ra rằng khi một nguồn phát ra âm thanh, tiến lại gần một người quan sát đứng yên, sẽ có bước sóng ngắn hơn, và ngược lại khi nguồn phát âm đi ra xa sẽ có bước sóng dài hơn.

Ví dụ dễ thấy nhất về hiện tượng này: Khi ta đứng bên đường mà có một chiếc xe đang kéo còi chạy ngang qua, mặc dù tần số của âm thanh của còi phát ra là không đổi, tuy nhiên ta vẫn cảm nhận được sự khác biệt về tần số của tiếng còi phát ra.

Từ đó hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng Doppler.

Hiệu ứng Doppler áp dụng cho sóng siêu âm, trong đồng hồ đo lưu lượng siêu âm. Khi sóng siêu âm được phát đi, nó sẽ bị tác động bởi các chất lỏng hoặc khí di chuyển trong đường ống, làm thay đổi tần số sóng. Các máy thu sẽ nhận được sóng siêu âm có tần số khác so với tần số ban đầu, và thông qua việc tính toán sự khác biệt này, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm có thể tính toán được lưu lượng của chất lỏng hoặc khí trong đường ống.

Trong những năm 1950 và 1960, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu việc sử dụng sóng siêu âm để đo lưu lượng chất lỏng trong các bồn chứa. Tuy nhiên, các thiết bị đầu tiên chỉ có thể đo lưu lượng tại một vị trí cố định và không thể đo lưu lượng trên đường ống.

Trong những năm 1970, các nhà khoa học đã phát triển ra các thiết bị đo lưu lượng siêu âm có khả năng đo lưu lượng trên đường ống, đây được xem là bước tiến lớn trong việc sử dụng sóng siêu âm để đo lưu lượng. Tuy nhiên, các thiết bị này vẫn còn rất đắt đỏ và chưa được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Trong những năm 1980, các công ty sản xuất thiết bị đo lưu lượng, đã bắt đầu phát triển thiết bị với kích thước nhỏ gọn, độ chính xác cao và giá thành phải chăng. Từ đó  chúng đã được sử dụng rộng rãi hơn, trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau, từ quản lý nước và môi trường đến dầu khí và hóa chất.

Hiện nay, các công nghệ mới như đồng hồ đo lưu lượng siêu âm không tiếp xúc hay kết hợp với công nghệ Internet of Things (IOT) đang được nghiên cứu và phát triển, giúp nâng cao độ chính xác và tính ứng dụng của thiết bị đo lưu lượng siêu âm.

Thông số kỹ thuật

Do được cung cấp với nhiều chủng loại khác nhau, nên thông số kỹ thuật cụ thể của mỗi loại đồng hồ đo sẽ có sự khác biệt nhất định. Ở đây mình xin đưa ra phần tổng hợp thông số kỹ thuật cơ bản của một số loại đồng hồ đo lưu lượng siêu âm phổ biến, để giúp khách hàng có được cái nhìn tổng quát nhất, về loại lưu lượng kế này.

• Phạm vi đo lưu lượng: Có thể lên đến 100000 m³/h
• Dung sai đo lưu lượng: Dao động khoảng dưới 1%, 1.5%
• Phạm vi nhiệt độ làm việc: Từ -40℃ đến 250℃
• Phạm vi áp suất làm việc: Có thể lên đến 10000 psi
• Tần số sóng âm: Từ 100 kHz ~ 2 MHz
• Nguồn điện sử dụng: từ 100 ~ 220V/AC; 20 ~ 36V/DC
• Vật liệu thân vỏ: Thép không gỉ, nhựa, nhôm,…
• Tiêu chuẩn kháng nước: IP65, IP67
• Đơn vị sản xuất: Omega – Mỹ,
• Chính sách bảo hành: 12, 16 hoặc 18 tháng (phụ thuộc vào loại sản phẩm).

Cấu tạo cơ bản của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Lưu lượng kế siêu âm là loại máy đó lưu lượng hiện đại, được trang bị nhiều tính năng hữu ích và nhiều chế độ đo lưu lượng khác nhau, chính vì vậy mà thiết bị này có cấu tạo rất phức tạp bao gồm, nhiều loại linh kiện điện tử kết hợp với nhiều chi tiết và bộ phận.

Trải qua thời gian dài ứng dụng và cải tiến, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm đã phát triển với nhiều biến thể khác nhau, mặc dù chúng cùng sử dụng một nguyên lý làm việc. Điều này dẫn đến cấu tạo chi tiết của thiế bị sẽ phụ thuộc và chủng loại.

Trong phạm vi của bài viết này ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo chung của loại máy đo lưu lượng này.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm được cấu thành từ các bộ phận chính sau:

• Đầu thu phát sóng siêu âm: Bộ phận có thể là một đôi đầu thu phát hoặc nhiều đôi khác nhau, điều này phụ thuộc vào thiết kế của nhà sản xuất. Bộ phận bao gồm một đầu phát sóng siêu âm đi xuyên qua dòng chảy của lưu chất làm việc, và một đầu thu sóng siêu âm, sau đó tín hiệu được biến đổi và truyền đi đến bộ xử lý.
• Bộ xử lý: Bộ phận tiếp nhận tín hiệu mà đầu thu sóng siêu âm truyền đến, kết hợp với các giá trị được thiết lập trong quá trình hiệu chuẩn, và những trương trình được nạp vào trước đó, bộ phận này sẽ tiến hành phân tích và  tính toán, để cho ra giá trị phù hợp trước khi truyền đến màn hình hiển thị.
• Màn hình hiển thị: Hiển thị lưu lượng chất lỏng đo được và các thông số khác liên quan đến quá trình đo.
• Các bộ phận phụ trợ: Bao gồm các bộ phận như bộ nguồn, cảm biến nhiệt độ, các bộ phận kết nối và giảm chấn rung động.

Phân loại đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Có nhiều các thức khác nhau mà ta có thể căn cứ vào để phân loại đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, chẳng hạn như phân loại chúng dựa trên thương hiệu, nguồn gốc xuất xứ, phân loại dựa vào loại lưu chất làm việc,… Tuy nhiên trong bài viết này chúng ta sẽ phân loại thiết bị này dựa trên nguyên lý hoạt động của nó, ta có hai dòng lưu lượng kế siêu âm là kiểu Doppler và kiểu thời gian truyền sóng

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm Doppler

Lưu lượng kế siêu âm Doppler có tên tiếng anh là Doppler Ultrasonic Flow Meter, sở dĩ người ta gọi nó như vậy bởi vì, nó hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Doppler.

Thiết bị sử dụng một đầu phát sóng siêu âm đi vào dòng chảy của lưu chất bên trong đường ống, trong quá trình làm việc thông thường dòng chảy chất lỏng sẽ tồn tại các loại tạp chất, hoặc sinh ra các bọt khí bên trong dòng chảy, ta gọi chung những vật thể này là các “hạt lơ lửng”.

Khi sóng âm truyền vào bên trong dỏng, gặp những hạt lơ lửng trên, sẽ gây ra các sự thay đổi về tần số sóng âm mà đầu thu sóng nhận được (Tốc độ của các hạt lơ lửng này, tỉ lệ thuận với sự biến đổi về tần số). Và thay vì đo tốc độ của dòng chảy thiết bị này, sẽ đo vận tốc của các điểm gián đoạn bên trong dòng chảy. Sau đó kết hợp với các thuật toán được nạp sẵn trong thiết bị, để đưa ra thông số lưu lượng cần đo.

Thiết bị hoạt động hiệu quả với những dòng chảy có nhiều tạp chất như bùn, nước thải, nước,…

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thời gian truyền sóng

Thiết bị có tên tiếng anh là Transit Time Ultrasonic Flow Meter, thiết bị phát ra sóng siêu âm để đo tốc độ của dòng chảy, bằng cách phân tích độ chênh lệch thời gian giữa thời điểm bắt đầu phát sóng ở đầu phát, với thời điểm bắt đầu thu sóng của đầu thu.

Độ chênh lệch thời gian này sẽ tỉ lệ với tốc động của dòng chảy, nếu sóng âm được truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy thì độ chên thời gian, được giảm đi tốc độ dòng chảy càng nhanh độ chênh thời gian càng ít đi.

Trường hợp hai, nếu sóng âm truyền đi ngược với chiều dòng chảy, độ chênh thời gian sẽ tăng lên và cũng tỉ lệ thuận với tốc độ dòng chảy.

Một số biến thể về hình dáng của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm được cung cấp vời phiên bản khác nhau, theo thời gian và đo được sản xuất bởi nhiều đơn vị khác nhau. Vì thế nếu xét về hình dáng đôi lúc ta cũng không thể nhận ra được đây là lưu lượng kế sử dụng sóng siêu âm.

Do yêu cầu xuất phát từ điều kiện làm việc thực tế, kết hợp với phương pháp đo không tiếp xúc với chất lưu của thiết bị, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thường được thiết kế rời, không nhất thiết phải có phần đường ống dẫn gắn cố định, với hệ thống cần đo (trong một số trường hợp đặc biệt, người ta vẫn thiết kế bộ phận đường ống dẫn chất lỏng).

Về đầu thu phát sóng âm, thông thường thiết bị được thiết kế với hai đầu dò, tương ứng với một đầu thu sóng và một đầu phát sóng, tuy nhiên cũng có nhưng thiết bị được tích hợp cả đầu thu và phát vào trong một đầu dò, và cũng có những thiết bị được trang bị nhiều đầu thu phát hơn.

Ưu điểm và nhược điểm của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, được biết đến là một trong những loại thiết bị đo lưu lượng được ưu tiên sử dụng, trong việc cung cấp giải pháp đo lưu lượng dòng chảy, trong nhiều hệ thống khác nhau. Tuy nhiên như hầu hết các dòng máy đo lưu lượng còn lại, đồng hồ đo lưu lượng sử dụng sóng siêu âm, cũng có đồng thời những ưu điểm và nhược điểm riêng.

Sau đây chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu kỹ hơn về chúng, để từ đó đưa ra được lựa chọn phù hợp về thiết bị đo, đối với hệ thống của mình.

Ưu điểm

Thiết bị đo lưu lượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng, điều này đảm bảo sự ổn định cho dòng chảy, không làm tổn thất áp suất cũng như hạn chế bớt lưu lượng của dòng chảy, khi đi qua đồng hồ.

Việc không tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng làm việc, góp phần nâng cao độ bền của thiết bị do không phải chịu lực tác động cũng như tác động ăn mòn hóa học đến từ lưu chất.

Phần lớn các thiết bị đồng hồ đo lưu lượng siêu âm không thiết kế bộ phận, đường ống dẫn chất lỏng như hầu hết các loại lưu lượng kế thông thường, thay vào đó, thiết bị này sử dụng đầu thu phát sóng âm, được kẹp và đường ống thông qua đai cố định. Vời kiểu thiết kế này thiết bị có thể tháo lắp một các dễ dàng, mà không làm gián đoạn đến dòng chảy, cũng như không can thiệp trực tiếp lên đoạn đường ống.

Thiết bị cung cấp khả năng đo dòng chảy, đối với nhiều loại chất lỏng và chất khí khác nhau.

Thiết bị được đánh giá là có khả năng đo lưu lượng có độ chính xác rất cao.

Nhược điểm

Nhược điểm lớn nhất của thiết bị đó là chi phí đầu tư sản phẩm khá cao.

Thiết bị không phù hợp để sử dụng cho một số loại lưu chất không cho sóng siêu âm truyền qua, khó khăn trong việc đo lưu lượng của các dòng chảy không tồn tại bọt khí, không có các hạt lơ lửng trong dòng chảy, để phản xạ sóng âm.

Ứng dụng thực tiễn của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Được thiết kế với chức năng đo lưu lượng của của dòng chảy, thông qua việc ứng dụng các nguyên lý liên quan đến việc truyền và phản xạ của sóng siêu âm, kết hợp với đặc điểm cấu tạo của sản phẩm, thiết bị có khả năng ứng dụng trong nhiều hệ thống, có khả năng thích nghi tốt với nhiều loại lưu chất khác nhau.

Một vài ví dụ về ứng dụng thực tiễn của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm có thể kể đến như:

• Trong công nghiệp thiết bị được sử dụng trong nhiều nhà máy công nghiệp: Nhà máy sản xuất giấy, nhà máy sản xuất hóa chất, nhà máy xử lý nước thải,… Vời khả năng đo lưu lượng dòng chảy bằng sóng âm có tần số cao, những lưu chất làm việc trong những hệ thống này rất thích hợp, để sử dụng thiết bị.
• Ứng dụng trong việc khai thác dầu mỏ: Thiết bị cung cấp khả năng đo lưu lượng dòng chảy của dầu thô, khí đốt và các loại lưu chất khác phục vụ cho công việc khai thác, lọc hóa dầu thô một cách chính xác và ổn định.
• Ứng dụng để kiểm tra lưu lượng nước bên trong các đường ống, đặc biệt là đường ống có kích thước lớn, khác với nhiều loại đồng hồ đo lưu lượng, cần lắp trực tiếp vời đường ống, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, chỉ cần cố định đầu thu phát sóng vào đường ống là, thiết bị đã có thể hoạt động, vì vậy mày chúng gần như không bị giới hạn bởi đường kính của đường ống.

Bảo trì và hiệu chuẩn đồng hồ đo lưu lượng siêu âm

Bảo trì và hiệu chuẩn đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, là việc làm cần thiết, quá trình đảm bảo rằng thiết bị đang hoạt động chính xác, và đáng tin cậy trong việc đo lường lưu lượng.

Bảo trì thiết bị này thường bao gồm các hoạt động như, kiểm tra mạch điện tử, kiểm tra và làm sạch cảm biến, kiểm tra và hiệu chuẩn máy tính và đảm bảo các phần mềm đo lường được cập nhật và hoạt động tốt.

Hiệu chuẩn đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, cần được thực hiện khi có sự thay đổi các thông số kỹ thuật trong hệ thống làm việc, cụ thể ở đây có thể là thay đổi loại lưu chất làm việc, thay đổi đường ống,…

Các bước cụ thể để hiệu chuẩn đồng hồ đo lưu lượng siêu âm có thể khác nhau, tùy thuộc vào loại đồng hồ đo, nhưng thường bao gồm sử dụng các tiêu chuẩn, chuẩn xác để so sánh với dữ liệu đo được của đồng hồ đo lưu lượng, kết hợp với việc điều chỉnh các thông số, để đồng hồ đo lưu lượng hoạt động chính xác.

Việc bảo trì và hiệu chuẩn đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, nên được thực hiện định kỳ để đảm bảo rằng dữ liệu đo lường được cung cấp là chính xác và đáng tin cậy.

Các nhà sản xuất thường cung cấp hướng dẫn về việc bảo trì và hiệu chuẩn thiết bị của họ, và bạn nên tuân theo hướng dẫn này, để đảm bảo rằng thiết bị của bạn hoạt động tốt và có độ chính xác cao.

Xem thêm sản phẩm đồng hồ đo lưu lượng nước dạng cơ.