Đồng hồ Đo lưu lượng Siêu âm: Hướng dẫn Đầy đủ cho Ứng dụng Công nghiệp |

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, với tư cách là một công nghệ quan trọng trong đo lường lưu lượng công nghiệp hiện đại, thể hiện những ưu điểm đáng kể trong các lĩnh vực khác nhau nhờ nguyên lý hoạt động độc đáo và đặc tính hiệu suất vượt trội. Công nghệ này chủ yếu được chia thành hai loại: Doppler và thời gian truyền (time-of-flight), mỗi loại dựa trên các nguyên lý vật lý khác nhau để phát hiện lưu lượng.

Đồng hồ đo lưu lượng Doppler sử dụng hiệu ứng Doppler âm thanh, đo lưu lượng bằng cách phát hiện sự dịch chuyển tần số của sóng siêu âm phản xạ từ các hạt rắn lơ lửng hoặc bong bóng trong chất lỏng. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với các môi trường chứa một lượng nhất định chất rắn lơ lửng hoặc bong bóng, khiến nó trở nên đặc biệt hiệu quả trong các ứng dụng công nghiệp như xử lý nước thải. Ngược lại, đồng hồ đo lưu lượng kiểu thời gian truyền (time-of-flight) sử dụng sự chênh lệch thời gian lan truyền của sóng siêu âm, cung cấp độ chính xác đo cao hơn và chủ yếu được dùng cho các môi trường chất lỏng tương đối sạch.

Trong lĩnh vực tự động hóa xử lý nước thải, lưu lượng kế siêu âm thể hiện nhiều ưu điểm kỹ thuật. Phương pháp đo không xâm nhập hoàn toàn tránh được tổn thất áp suất trong đường ống và loại bỏ các vấn đề mài mòn liên quan đến các lưu lượng kế cơ học truyền thống. Tính chất không tiếp xúc của cảm biến đảm bảo tính tương thích hóa học đồng thời giảm đáng kể nhu cầu bảo trì. Ngoài ra, công nghệ này rất phù hợp với các chất lỏng dẫn điện và nhiều loại dung dịch nước khác nhau.

Điều đáng lưu ý là đồng hồ đo lưu lượng siêu âm cũng có những giới hạn cụ thể. Đối với các môi trường siêu tinh khiết như nước cất, việc thiếu các bề mặt phản xạ âm thanh đủ mạnh có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất đo. Tương tự, trong các ứng dụng yêu cầu độ vệ sinh cực cao như nước uống, cần phải đánh giá kỹ lưỡng tính phù hợp của chúng. Những đặc điểm này khiến công nghệ này phù hợp hơn để đo các loại chất lỏng bẩn trong các quá trình công nghiệp chứ không phải các môi trường có độ tinh khiết cao.

Từ góc độ lịch sử, nền tảng công nghệ của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm có thể được truy nguyên về các nghiên cứu âm học vào giữa thế kỷ 19. Phát hiện khoa học về hiệu ứng Doppler đã đặt nền móng lý thuyết quan trọng cho các ứng dụng kỹ thuật sau này. Hiện tượng vật lý này không chỉ giải thích bản chất của sự dịch chuyển tần số âm thanh mà còn cung cấp những giải pháp đổi mới cho các công nghệ đo lưu lượng hiện đại ngày nay.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm, như một công nghệ đo lường tiên tiến, hoạt động dựa trên sự thay đổi đặc tính lan truyền của sóng âm trong môi trường chất lỏng đang chuyển động. Tùy theo nguyên lý đo, chúng chủ yếu được chia thành hai loại: kiểu Doppler và kiểu thời gian truyền (time-of-flight).

Loại đồng hồ này sử dụng hiệu ứng Doppler để đo lưu lượng. Khi tín hiệu siêu âm gặp các hạt lơ lửng hoặc bong bóng khí trong môi trường chất lỏng đang chuyển động, nó sẽ tạo ra các sóng phản xạ. Vì các vật phản xạ di chuyển cùng với chất lỏng, tần số của sóng phản xạ sẽ bị lệch, hiện tượng này được gọi là dịch chuyển Doppler. Mức độ lệch này tỷ lệ trực tiếp với vận tốc chất lỏng, cho phép tính toán vận tốc dòng chảy bằng cách đo chính xác mức độ dịch chuyển tần số. Để đảm bảo phép đo hiệu quả, môi trường cần chứa một nồng độ nhất định các hạt lơ lửng để đóng vai trò làm vật phản xạ âm.

Đồng hồ đo lưu lượng kiểu thời gian truyền xác định vận tốc dòng chảy bằng cách đo độ chênh lệch thời gian lan truyền của sóng siêu âm theo hướng dòng chảy và ngược hướng dòng chảy. Trong chất lỏng đứng yên, thời gian lan truyền theo cả hai hướng là bằng nhau. Khi chất lỏng chuyển động, thời gian lan truyền theo hướng dòng chảy sẽ giảm, trong khi thời gian lan truyền ngược hướng dòng chảy sẽ tăng. Bằng cách đo chính xác độ chênh lệch thời gian này và kết hợp với các thông số hình học của đường ống, có thể tính toán chính xác vận tốc dòng chảy trung bình. Phương pháp này đặc biệt phù hợp với môi trường chất lỏng tương đối sạch.

Một hệ thống đồng hồ đo lưu lượng siêu âm điển hình bao gồm các thành phần chính sau:

Quy trình làm việc như sau: Bộ xử lý tín hiệu tạo ra một tín hiệu điện tần số cao để điều khiển bộ chuyển đổi, thiết bị này chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng siêu âm và truyền nó vào chất lỏng. Bộ chuyển đổi nhận tín hiệu siêu âm phản xạ hoặc truyền qua và chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện, sau đó được xử lý để tính toán vận tốc dòng chảy và lưu lượng.

Các yếu tố sau đây cần được xem xét trong các ứng dụng thực tế:

Với sự tiến bộ của công nghệ, các đồng hồ đo lưu lượng siêu âm hiện đại đã phát triển các chế độ đo tiên tiến hơn, ví dụ như công nghệ đo hỗn hợp thích nghi, tự động lựa chọn chế độ đo tối ưu dựa trên đặc tính của môi trường, từ đó cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của phép đo.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm là công nghệ đo lưu lượng không xâm lấn dựa trên nguyên lý âm học, xác định vận tốc dòng chảy bằng cách phát hiện các thay đổi trong đặc tính lan truyền của sóng siêu âm trong chất lỏng. Thiết bị có thiết kế kẹp ngoài, có thể lắp đặt trực tiếp trên thành ngoài của đường ống mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc đường ống hoặc tiếp xúc với môi chất, do đó rất phù hợp với các chất lỏng ăn mòn hoặc điều kiện làm việc khắc nghiệt như áp suất cao và nhiệt độ cao. Ngoài ra, thiết kế dạng xách tay mang lại độ linh hoạt cao cho các kiểm tra công nghiệp và các phép đo tạm thời.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm chủ yếu được chia thành hai loại là Doppler và thời gian truyền (time-of-flight), mỗi loại dựa trên cơ chế vật lý khác nhau để đo lưu lượng:

So với đồng hồ đo lưu lượng cơ học truyền thống, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm mang lại các ưu điểm như không gây mất áp, không bị mài mòn và khả năng thích ứng cao, khiến chúng đặc biệt phù hợp với các ngành công nghiệp như xử lý nước thải, hóa chất và năng lượng. Tuy nhiên, độ chính xác đo của chúng bị ảnh hưởng đáng kể bởi đặc tính của môi trường đo, do đó cần phải xem xét toàn diện các yếu tố như tính chất chất lỏng, điều kiện đường ống và yêu cầu ứng dụng thực tế trong quá trình lựa chọn, nhằm đảm bảo hiệu suất đo tối ưu.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm cũng rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ giảm áp thấp và ít bảo trì. Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm kiểu Doppler là loại đồng hồ đo lưu lượng thể tích, lý tưởng cho các chất lỏng có chứa khí, chẳng hạn như nước thải hoặc bùn. Trong khi đó, đồng hồ đo lưu lượng siêu âm thời gian truyền (time-of-flight) lại phù hợp hoàn hảo với các chất lỏng sạch như nước hoặc dầu.

Có ba loại chính của đồng hồ đo lưu lượng siêu âm. Các yếu tố như loại đầu ra (analog hoặc digital), kích thước ống, nhiệt độ quy trình tối thiểu và tối đa, áp suất và tốc độ dòng chảy sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn loại đồng hồ đo lưu lượng siêu âm phù hợp nhất cho ứng dụng của bạn.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm kẹp ngoài có hai phiên bản: một cảm biến và hai cảm biến. Ở phiên bản một cảm biến, các tinh thể phát và thu được đặt trong cùng một thân cảm biến, được kẹp vào một điểm duy nhất trên bề mặt ống. Một hợp chất ghép nối được sử dụng để kết nối cảm biến với ống về mặt âm học. Trong phiên bản hai cảm biến, tinh thể phát nằm trong một thân cảm biến và tinh thể thu nằm trong một thân cảm biến khác. Đồng hồ đo lưu lượng Doppler kẹp ngoài dễ bị nhiễu từ chính thành ống và bất kỳ khoảng hở không khí nào giữa cảm biến và thành ống. Nếu thành ống làm bằng thép không gỉ, nó có thể dẫn tín hiệu phát đi xa đủ để gây ra độ lệch trong tín hiệu phản hồi, làm ảnh hưởng đến kết quả đo. Các gián đoạn âm học tích hợp cũng tồn tại trong các ống bằng đồng, ống có lớp lót bê tông, lớp lót nhựa hoặc lớp gia cố sợi thủy tinh. Những gián đoạn này có thể làm phân tán tín hiệu truyền đi hoặc làm suy giảm tín hiệu phản hồi, làm giảm đáng kể độ chính xác của đồng hồ đo lưu lượng (thường là sai số ±20%). Trong hầu hết các trường hợp, nếu ống có lớp lót, đồng hồ đo lưu lượng kẹp ngoài có thể không hoạt động được.

1.1 Đánh Giá Và Xác Nhận Hệ Thống Đường Ống

Trước khi lắp đặt, cần tiến hành đánh giá toàn diện hệ thống đường ống mục tiêu, tập trung vào việc vật liệu ống có đáp ứng các yêu cầu cơ bản cho việc truyền âm hay không. Các loại ống kim loại như thép carbon và thép không gỉ thường có tính dẫn âm tốt, trong khi các loại ống phi kim hoặc ống được lót bằng vật liệu đặc biệt cần được kiểm tra bổ sung. Tình trạng lớp lót bên trong ống cũng phải được kiểm tra kỹ lưỡng, vì một số vật liệu lót (ví dụ như cao su hoặc polyurethane) có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả truyền tín hiệu siêu âm. Ngoài ra, đường kính trong của ống phải khớp chính xác với thông số kỹ thuật của đồng hồ đo lưu lượng, vì bất kỳ sai lệch nào cũng có thể gây ra lỗi đo lường.

1.2 Tiêu Chí Chọn Vị Trí Lắp Đặt

Việc lựa chọn vị trí lắp đặt lý tưởng rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Ưu tiên nên chọn các đoạn ống nằm ngang hoặc các đoạn ống thẳng đứng có chiều dòng chảy đi lên, tránh các đoạn ống thẳng đứng có chiều dòng chảy đi xuống. Cần đảm bảo đủ chiều dài đoạn ống thẳng, thường yêu cầu ít nhất là 10 đường kính ống ở phía thượng lưu và 5 đường kính ống ở phía hạ lưu. Tránh lắp đặt gần các khuỷu cong, van, bơm hoặc các phụ kiện khác có thể gây nhiễu dòng chảy. Vị trí lắp đặt cũng cần tránh xa các nguồn rung động mạnh và nhiễu điện từ, đồng thời cần cân nhắc đến sự biến động của nhiệt độ môi trường để đảm bảo tính ổn định của phép đo.

2.1 Quy Trình Xử Lý Bề Mặt Ống

Chất lượng xử lý bề mặt ngoài của ống trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tín hiệu siêu âm. Trước khi lắp đặt, bề mặt ống phải được làm sạch kỹ lưỡng để loại bỏ gỉ, lớp oxy hóa và lớp phủ cũ. Đối với các bề mặt gồ ghề, nên sử dụng giấy nhám mịn để đánh bóng cho đến khi đạt được bề mặt tiếp xúc mịn và phẳng. Bề mặt đã xử lý phải không còn dầu, bụi hoặc các chất gây ô nhiễm khác, và có thể sử dụng các chất tẩy rửa chuyên dụng nếu cần thiết. Khu vực xử lý phải lớn hơn 2-3 lần diện tích tiếp xúc của cảm biến để đảm bảo đủ khoảng trống lắp đặt.

2.2 Công Nghệ Định Vị Cảm Biến Chính Xác

Độ chính xác trong vị trí đặt cảm biến quyết định kết quả đo lường. Khoảng cách giữa các cảm biến phải được xác định chính xác theo hướng dẫn của nhà sản xuất, sử dụng các phụ kiện định vị chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác. Cần đặc biệt lưu ý đến việc căn chỉnh trục của hai cảm biến, bởi ngay cả những sai lệch góc nhỏ cũng có thể gây suy giảm tín hiệu. Nên sử dụng các công cụ căn chỉnh bằng tia laze để đảm bảo vị trí tương đối hoàn hảo. Đối với các đường ống có đường kính lớn, cũng cần tính đến độ lệch tâm của ống trong quá trình lắp đặt.

3.1 Quy trình kiểm tra hiệu suất hệ thống

Sau khi lắp đặt, bắt buộc phải tiến hành kiểm tra hệ thống toàn diện. Trước tiên, thực hiện kiểm tra cường độ tín hiệu để đảm bảo tín hiệu nhận được đáp ứng giá trị được nhà sản xuất khuyến nghị. Sau đó, kiểm tra tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu để loại bỏ sự can thiệp từ môi trường. Xác minh độ ổn định của phép đo trong các điều kiện lưu lượng khác nhau, quan sát xem dạng sóng tín hiệu có rõ ràng và ổn định hay không. Đặc biệt lưu ý đến đặc tính phản hồi của hệ thống trong quá trình thay đổi lưu lượng để đảm bảo hiệu suất đo động đáp ứng các yêu cầu. Cuối cùng, thực hiện các bài kiểm tra ổn định dài hạn, liên tục giám sát dữ liệu đo trong hơn 24 giờ.

3.2 Tiêu Chuẩn Xác Nhận Trạng Thái Vận Hành

Nhiều kiểm tra vận hành là cần thiết trước khi hệ thống được đưa vào sử dụng. Trước tiên, hãy xác minh chức năng phát hiện đầy ống đo hoạt động chính xác, vì đây là yếu tố cơ bản đảm bảo độ chính xác của phép đo. Tiếp theo, kiểm tra chức năng bù nhiệt để quan sát tính ổn định của phép đo trong điều kiện nhiệt độ thay đổi. Kiểm tra chức năng tự chẩn đoán của hệ thống để đảm bảo phát hiện và cảnh báo kịp thời các bất thường. Cuối cùng, thiết lập các giá trị đo lường cơ sở để phục vụ bảo trì và hiệu chuẩn trong tương lai.

4.1 Quy cách lắp đặt đường ống ở nhiệt độ cao

Đối với các đường ống dẫn môi chất nhiệt độ cao, phải thực hiện các biện pháp cách nhiệt đặc biệt. Nên sử dụng các chất dẫn nhiệt chịu nhiệt và các vỏ bọc bảo vệ chống nhiệt. Cần lắp đặt lớp cách nhiệt hiệu quả giữa cảm biến và đường ống nhiệt độ cao để ngăn chặn sự dẫn nhiệt gây hỏng các linh kiện điện tử. Cũng cần cân nhắc đến ảnh hưởng của độ dốc nhiệt độ đến độ chính xác đo lường, và nếu cần thiết, nên lắp thêm các cảm biến bù nhiệt độ.

4.2 Giải pháp cho môi trường rung động

Trong môi trường có độ rung cao, phải thực hiện các biện pháp giảm rung hiệu quả. Có thể sử dụng các giá đỡ chống rung chuyên dụng để cố định cảm biến hoặc lắp đặt thiết bị giảm chấn trên đường ống. Nên chọn loại cảm biến có khả năng chống rung tốt hơn và điều chỉnh thông số lọc tín hiệu tương ứng. Việc tăng tần suất lấy mẫu đo lường và tính trung bình dữ liệu có thể cải thiện độ ổn định trong môi trường như vậy.

5.1 Các mục bảo trì định kỳ

Thiết lập hệ thống kiểm tra định kỳ, tập trung vào tình trạng chất kết nối và sự ổn định của tín hiệu. Tiến hành kiểm tra toàn diện hệ thống ít nhất một lần mỗi tháng, bao gồm cố định cơ học, kết nối điện và đánh giá chất lượng tín hiệu. Giữ bề mặt đầu dò sạch sẽ và định kỳ thay thế chất kết nối đã bị lão hóa. Duy trì hồ sơ bảo trì đầy đủ để theo dõi xu hướng hoạt động của hệ thống.

5.2 Tiêu chuẩn hiệu chuẩn định kỳ

Xây dựng chu kỳ hiệu chuẩn hợp lý dựa trên môi trường hoạt động, thường khuyến nghị hiệu chuẩn tại chỗ mỗi 12 tháng một lần. Sử dụng các thiết bị tiêu chuẩn đã được chứng nhận và tuân thủ quy trình vận hành tiêu chuẩn trong quá trình hiệu chuẩn. Ghi chép và phân tích chi tiết dữ liệu hiệu chuẩn, điều tra ngay bất kỳ hiện tượng bất thường nào. Đối với các điểm đo quan trọng, hãy rút ngắn chu kỳ hiệu chuẩn hoặc thực hiện hiệu chuẩn trực tuyến.

Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Vì chúng đo lưu lượng bằng sóng âm và không xâm lấn, nên rất lý tưởng cho nhiều tình huống. Đồng hồ đo lưu lượng siêu âm chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp dầu khí. Ngoài ra, chúng còn được ứng dụng trong các ngành hóa chất, dược phẩm, thực phẩm và đồ uống, kim loại, khai khoáng, giấy và bột giấy, cũng như xử lý nước thải.