Lưu lượng kế siêu âm là gì?

Lưu lượng kế siêu âm, hay còn gọi là đồng hồ đo lưu lượng siêu âm (Ultrasonic flow meter) là thiết bị được sử dụng, để đo lưu lượng dòng chảy của các loại chất lỏng hoặc khí (chất lưu), thiết bị sẽ phát sóng siêu âm vào trong dòng chảy, sau đó sử dụng một đầu thu, để thu lại sóng sau khi đã đi qua dòng chảy cần đo lưu lượng.

Sóng siêu âm có khả năng đi xuyên qua nhiều vật liệu khác nhau, đồng thời nó bị biến đổi sau khi truyền qua những môi trường khác nhau, so sánh sự khác biệt về các thông số của sóng siêu âm giữa đầu thu và đầu phát, là dữ liệu để tính toán lưu lượng của dòng chảy.

Để có thể cung cấp những thiết bị có khả năng đo lưu lượng tối ưu, cho từng ứng dụng đo lường cụ thể, lưu lượng kế siêu âm được thiết kế với nhiều chủng loại và đa dạng các biến thể khác nhau.

Những thiết bị này thường có chung một nguyên lý thiết kế, bộ phận máy được liên kết với các đầu cảm biến thông qua dây liên kết. Thiết kế này cho phép thiết bị đo có thể lắp đặt bên ngoài đường ống, và thực hiện đo lưu lượng không tiếp xúc.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế siêu âm

Cấu tạo

Cấu tạo của lưu lượng kế siêu âm bao gồm 3 bộ phận chính: Máy đo, đầu thu phát sóng siêu âm, dây dẫn.

Máy đo: Là bộ phận phức tạp được cấu thành từ nhiều chi tiết và linh kiện điện tử, bộ phận này được nạp vào các chương trình xử lý tính toán phù phù hợp, tiếp nhận xử lý thông tin từ bộ phận đầu thu phát sóng.
Ngoài ra bộ phận này còn được tích hợp các nút bấm điều khiển, và màn hình hiển thị, giúp cho người dùng tiến hành, việc đo lưu lượng dễ dàng và thuận tiện hơn.
Dây dẫn: đây là bộ phận liên kết giữa bộ phận thu phát và bộ phận máy đo, bộ phận này vừa có chức năng truyền tín hiệu, vừa truyền tải năng lượng đến đầu phát và đầu thu để vận hành chúng.
Chiều dài của dây dẫn, cho phép 1 thiết bị đo có thể sử dụng trên nhiều đường ống khác nhau, nhưng không phải tất cả mọi kích thước.
Các đầu thu phát sóng: Đối với những thiết bị lưu lượng kế siêu âm thông thường, chúng chỉ sử dụng khoảng 2 đầu thu phát sóng khác nhau, số lượng đầu thu phát có thể nhiều hơn phụ thuộc vào thiết kế. Chúng được gắn lên đường ống thông qua các đai kim loại cố định.
Cũng có những thiết bị mà đầu thu phát được thiết kế liền 1 khối với thân đồng hồ, điều này là một thiết bị chỉ sử dụng cố định trên đường ống.

Nguyên lý hoạt động

Lưu lượng kế siêu âm là thiết bị đo lưu lượng, bằng cách phát sóng siêu âm vào dòng chảy của loại chất lưu cần đo, sau đó thiết bị sử một đầu thu sóng, sau khi đã truyền qua dòng chảy của chất lưu, tốc độ vào tính chất của chất lưu sẽ làm thay đổi sóng siêu âm. Căn cứ vào sự khác biệt của sóng siêu âm giữa đầu thu và đầu phát, để có thể tính toán được lưu lượng của dòng chảy. Ngoài ra còn một phương pháp nữa cũng thường được áp dụng, cho lưu lượng kế siêu âm đó là, xác định thời gian mà sóng siêu âm đi từ đầu phát đến đầu thu.

2 loại lưu lượng kế siêu âm cơ bản

Lưu lượng kế siêu âm dạng Doppler (Doppler Ultrasonic Flow Meter)

Đây là loại đồng hồ đo lưu lượng dựa trên hiện được Doppler, được nhà vật lý, nhà toán học người Áo Christian Johann Doppler phát hiện và năm 1842. Hiện tượng này có thể hiểu cơ bản như sau:

Khi một nguồn phát sóng âm di chuyển động trong quá trình phát sóng, tần số trong phạm vi truyền sóng tại một điểm thu được, có sự biến đổi phụ thuộc vào tốc độ chuyển động.

Thiết bị sẽ phát ra sóng siêu âm vào bên trong dòng chảy, sóng siêu âm này trong quá trình truyền đi nó sẽ va vào những tạp chất, hoặc bọt khí trong dòng chảy và bị phản xạ ngược lại, tốc độ truyền động của tạp chất bằng với tốc độ dòng chảy. Từ đó lưu lượng của dòng chảy được xác định vào sự biến đổi của tần số, giữa đầu thu và đầu phát.

Lưu lượng kế siêu âm dạng Doppler phù hợp để sử dụng cho dòng chảy của lưu chất, ở trạng thái lỏng có chứa tạp chất, hoặc dòng chảy với tốc độ nhanh, hình thành nhiều bọt khí bên trong.

Lưu lượng kế siêu âm dạng thời gian truyền sóng (Transit Time Ultrasonic Flow Meter)

Lưu lượng kế siêu âm loại thời gian truyền sóng (Transit Time Ultrasonic Flow Meter), thực hiện đo lưu lượng của chất lưu, bằng cách xác định thời gian mà sóng siêu âm truyền đi bên trong dòng chảy của chất cần đo.

Đối với mỗi loại chất lưu sẽ có tốc độ truyền sóng khác nhau, ngoài ra còn phụ vào tốc độ của dòng chảy.

Thiết bị này sử dụng một bộ thu phát sóng, có chiều truyền sóng cùng với chiều dòng chảy, và một bộ thu phát nữa có chiều ngược lại với chiều dòng chảy.

Trong trường hợp chất lưu trong đường ống đứng im, tốc độ truyền sóng giữa chiều thuận và chiều ngược là bằng nhau, khi lưu chất di chuyển lúc này tốc độ truyền sóng siêu âm giữa chiều thuận và chiều ngược là khác nhau, và sự chênh lệch về tốc độ này, tỉ lệ thuận với tốc độ dòng chảy.

Lưu lượng kế siêu âm dạng thời gian truyền sóng, thường được sử dụng để đo lưu lượng của dòng chảy chất khí, chất lỏng, tuy nhiên cần lưu ý với những dòng chảy quá nhiều tạp chất.

Ứng dụng thực tiễn của lưu lượng kế siêu âm

Lưu lượng kế siêu âm, giải pháp đo lưu lượng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, với ưu điểm thực hiện đo lưu lượng không tiếp xúc, không gây cản trở dòng chảy, không can thiệp trực tiếp vào hệ thống,… Lưu lượng kế siêu âm được ưu tiên sử dụng trong nhiều hệ thống.

Một vài ví dụ về ứng dụng thực tiễn của lưu lượng kế siêu âm:

Lĩnh vực ý tế: Siêu âm Doppler (tiếng anh là Doppler Ultrasound) được áp dụng để đo các dòng chảy bên trong cơ thể tiêu biểu là máu, tốc độ lưu thông của máu được sử dụng để chẩn đoán một số bệnh lý. Thiết bị được sử dụng để thực hiện phép đo này, cũng sử dụng nguyên lý đo siêu âm, nhưng được thiết kế đặc biệt để đảm bảo an toàn cho con người.
Lĩnh vực hóa chất: Lưu lượng kế siêu âm được sử dụng trong nhiều công đoạn, liên quan đến sản xuất hoặc xử lý hóa chất, do thực hiện đo lường mà không tiếp xúc với chất lỏng, đảm bảo được độ bền cho thiết bị.
Xử lý nước thải: Nước thải là một trong những loại chất lưu phù hợp, với nguyên lý đo lường, của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm. Với phương pháp đo không tiếp xúc, các tạp chất không gây những tác động xấu đến thiết bị, ở đây bao gồm hiện tượng kẹt cứng, làm hỏng cảm biến, mài mòn một số bộ phận.
Đo nước sạch: Được cung cấp với đa dạng chủng loại, và và dải kích thước phong phú, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm có thể được sử dụng để đo lưu lượng của nước, sử dụng trong hộ gia đình hoặc nhà máy.

Hình ảnh lưu lượng kế siêu âm ứng dụng trong các hệ thống.

Kết luận

Trong khi các phương pháp đo lường lưu lượng đã phát triển theo thời gian, lưu lượng kế siêu âm đã trở thành một công nghệ đo lường quan trọng và hiệu quả, trong nhiều lĩnh vực.

Với những yêu điểm như ứng dụng linh loại, phù hợp với nhiều loại lưu chất, thực hiện đo lường mà không can thiệp trực tiếp đến hệ thống, không làm ảnh hưởng dòng chảy,… Đã biến lưu lượng kế siêu âm, trở thành một công cụ không thể thiếu, trong ngành công nghiệp, y tế, môi trường và nhiều lĩnh vực khác.

Từ khả năng đo lường chính xác của nó trong nhiều điều kiện, đến khả năng tích hợp vào các hệ thống tự động và điều khiển, lưu lượng kế siêu âm đã chứng minh tầm quan trọng của mình, trong việc đo lường và giám sát.

Bài viết đã giới thiệu cơ bản về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của lưu lượng kế siêu âm, nhấn mạnh vai trò quan trọng của nó trong việc tối ưu hóa hiệu suất và kiểm soát trong nhiều ngành.

Hy vọng bài viết này đã cung cấp đến bạn đọc những thông tin có giá trị, nếu bạn còn thắc mắc nào liên quan đến loại thiết bị đo lường này, có thể liên hệ trực tiếp vời mình, để chúng ta trao đổi cụ thể hơn.

Xin cảm ơn!