Đo lưu lượng đóng một vai trò rất quan trọng trong các mạng lưới vận chuyển chất lưu (ví dụ như ống dẫn khí, dẫn dầu) và trong mọi thiết bị công nghiệp mà cần khống chế lượng chất lưu tham gia vào các quá trình như ở động cơ đốt trong, lò phản ứng hoá học…

Kể từ khi phát minh ra lưu lượng  kế tuabin theo kiểu Woltman vào những năm 1970, các chuyên gia tự động hoá đều hào hứng trông đợi một máy đo lưu lượng cho tất cả các ứng dụng khác nữa. Nhưng đáng tiếc là dù  chúng  ta đã  có hẳn

12 công nghệ đo lưu luợng khác nhau nhưng không một công nghệ nào cho phép áp dụng được vào mọi ứng dụng. Một trong những phương pháp đo lưu lượng được  sử  dụng  rộng  rãi  nhất trong hầu hết các ứng dụng, trên hầu hết các ngành công nghiệp và với độ chính xác cao hơn cả cách đo áp suất vi sai, đó chính là lưu lượng kế điện từ. Theo các nghiên cứu của Jesse Youder thì lưu lượng kế chiếm 4,7 tỷ USD doanh số nhưng lưu lượng kế điện từ mới chỉ chiếm khoảng  20% trong  số đó. Hiện có rất nhiều lưu lượng kế điện từ được sản xuất hằng năm. Thiết bị này được sử dụng trong tất cả các quá trình công nghiệp: nước, nước thải, và các mỏ khoáng chất, thực phẩm và dược phẩm. Thiết bị đo lưu lượng này được thiết kế trong các hệ thống xử lý gần như tất cả các nước có nguồn gốc hoá chất và bùn than; có khả năng chống hao mòn, trầy xước và thậm chí cả làm sạch bề mặt bên trong đường ống (thiết kế dành cho các ứng  dụng vệ  sinh dịch  tễ).  Lưu lượng kế điện từ được sử dụng rộng rãi nhất bởi vì kích thước máy đo có thể thay đổi độ lớn tuỳ theo yêu cầu ứng dụng. Công ty Zuider Zee tại Hà Lan là nơi đầu tiên sử dụng công nghệ này cho các cống thoát nước trong những năm 1950. Thường thì nhà cung cấp cho ra lò những sản phẩm có kích thước từ 12mm đến 914mm. Một số hãng khác có thể cung cấp với các kích thước lên đến 3.048mm. Việc tăng hay giảm kích thước ống như thế có liên quan trực tiếp đến công nghệ.

Hình 1. Vận tốc chất lưu làm thay đổi từ trường tĩnh và gây nên một điện thế tỷ lệ trên các điện cực.

Nguyên lý hoạt động

Năm 1831, Michael Faraday đã tìm ra định luật cảm ứng điện từ mà sau này được đặt tên luôn là Faraday. Trong một máy đo lưu lượng điện từ thì cuộn dây được đặt song song với dòng chảy và ở góc bên phải bên trong ống dẫn có đặt một loạt các điện cực, tạo ra một trường từ tĩnh. Các đường ống dẫn phải là vật liệu không từ tính, mặt bên trong ống được phủ chất cách điện. Khi chất lưu chảy qua thì một hiệu điện thế nhỏ xuất hiện trên các điện cực. Hiệu    điện    thế    này    tỷ    lệ    với     độ     lệch     của     từ     trường. Các lưu lượng kế điện từ hiện đại hoạt động dựa trên trường một chiều DC chuyển đổi được với nguyên tắc không gây ra tiếng ồn (có thể từ RFI, EMI và tiếng ồn điện thực sự trong khi đo lưu lượng chất lưu). Nó hoạt động theo chế độ tắt từ trường, đo điện thế lưu lại trên các điện cực; sau đó là bật lại từ trường và trừ giá trị điện thế lúc bật và lúc tắt cho nhau. Cơ chế này được thực hiện vài lần trong một giây cho phép loại trừ hiện tượng trôi, lệch điểm không.

Điều này có nghĩa là điện thế cảm ứng trên các điện cực là tỷ lệ trực tiếp với vận tốc trung bình trong đường ống; cách làm này chính xác hơn rất nhiều các phương pháp đo vận tốc khác.

Lưu lượng kế điện từ đo vận tốc có độ chính xác đáng kể, tiếp cận được với độ chính xác của các thiết bị đo vị trí. Chúng thường được sử dụng khi ứng dụng đo lưu lượng trong khoảng thời gian tương đối dài. Độ chính xác của lưu lượng kế điện từ là 0.5% của giá trị đo (trong khoảng từ 0.1 tới 10m/s). Một số nhà cung cấp cho biết rằng vẫn có thể đạt được độ chính xác tới 0.1%.

Sử dụng lưu lượng kế điện từ

Lưu lượng kế điện từ có dải ứng dụng rộng lớn mà có thể nói rằng thật dễ để kể về những nơi mà lưu lượng kế điện từ không hoạt động được hơn là phải ngồi liệt kê tất cả các ứng dụng của thiết bị này.

Lưu lượng kế điện từ sẽ không hoạt động tốt khi các đường ống không phải là đầy chất lưu (ngoại trừ một số thiết kế đặc biệt riêng cho ứng dụng này). Nếu ống không đầy nước sẽ gây nên lỗi đáng kể. Một trong những ví dụ phổ biến nhất về việc sử dụng lưu lượng kế điện từ không đúng là lưu chất chảy dọc theo vectơ trọng trường ra không khí trong một bể nước. Một hiện tượng rất hay xảy ra nữa là dòng chảy rất chậm, ống dẫn không đầy nước và kết quả thu được từ lưu lượng kế điện từ sẽ sai. Đôi khi để giảm hiện tượng này thì có thể thiết kế ống hình chữ U nhằm đảm bảo nước trong ống luôn đầy. Lưu lượng kế điện từ sẽ không hoạt động tốt khi các ống dẫn đầy khí gas hoặc không khí. Lí do là làm thay đổi việc tính thể tích đường ống và thay đổi thể tích luồng đi qua thiết bị đo.

Lưu lượng kế điện từ sẽ không làm việc tốt nếu dòng chảy bắt đầu và dừng liên tục vì có một thời gian trễ giữa lúc dòng chảy bắt đầu và vận tốc chỉ thị của thiết bị đo. Điều này có nghĩa là lưu lượng kế điện từ không làm việc tốt trong điều kiện hoạt động lặp đi lặp lại liên tục trong thời gian ngắn. Trên thực tế vẫn có các trường hợp ngoại lệ của một số ứng dụng đặc biệt sẽ được thiết kế để có thể có đáp ứng rất nhanh.

Lưu lượng kế điện từ không cho được thông tin về khối lượng lưu chất chảy qua nhưng khi được kết hợp với thiết bị đo mật độ thì có thể cung cấp thông tin có độ chính xác cao. Việc kết hợp sẽ tốt nếu kích thước của ống dẫn cỡ 300mm. Các ứng dụng kiểu này khá phổ biến trong công nghiệp khai thác hay nạo vét sông, bến cảng.

Quan trọng nhất là lưu lượng kế điện từ sẽ không làm việc được nếu lưu chất có từ tính hoặc phải đo lưu lượng khí gas. Độ dẫn tính tối thiểu của lưu chất cho phép là 5μS (microSiemens). Thực tế cho thấy sẽ không tốt nếu sử dụng lưu lượng kế điện từ để đo vận tốc của lưu chất có độ dẫn trung bình thấp. Lý do là vì điện trở trong của cảm biến phải nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở vào của thiết bị đo.

Cuối cùng, lưu lượng kế điện từ cũng sẽ hoạt động không tốt nếu lưu chất có độ dẫn rất cao (nước muối hay nước biển). Với những ứng dụng đặc biệt  trên thì cũng cần có những thiết kế

phù hợp.

Sử dụng lưu lượng kế điện từ

Có một số quy tắc đơn giản để sử dụng lưu lượng kế điện từ mà theo đó nếu bạn làm theo sẽ đạt hiệu quả sử dụng cao.

Lắp ống dẫn thẳng

Lưu lượng kế điện từ cần chạy ống dẫn thẳng ít hơn hầu hết các lưu lượng  kế điện từ khác, thường là 3.D theo hướng ngược chiều của mặt phẳng điện cực và 0.D theo hướng thuận chiều. Tuy nhiên, có những trường hợp khi đi ống dẫn với càng nhiều đoạn thẳng càng tốt, ví dụ như hiện tượng xoáy có thể sinh ra trong ống dẫn dài hàng trăm D khi gặp một lỗi rẽ ba chiều. Những lỗi kiểu này có thể gây sai trầm trọng cho kết quả đo, đôi khi lên tới 40% của giá trị đo.

Gắn lưu lượng kế điện từ theo phương thẳng đứng

Một trong những cách để đảm bảo người sử dụng lắp đặt chính xác cho đồng hồ đo đó là lắp đặt lưu lượng kế điện từ sao cho dòng chảy qua là theo chiều dọc. Việc này hữu ích để hạn chế hiện tượng xoáy và cũng có thể giúp làm giảm hiện tượng không khí tràn vào.

Chọn dải đo hợp lý

Mặc dù một lưu lượng kế điện từ sẽ hoạt động trên một dải khoảng từ 0.09 đến 10m/s nhưng tốt nhất là không để thiết bị hoạt động ở điều kiện đo vận tốc cực đại hay cực tiểu. Trong một số ứng dụng có chất rắn trong ống dẫn sẽ có thể bị kết tảng bên trong ống, thậm chí trên cả các điện cực. Nếu bị kết tảng xảy ra trong ống dẫn thì việc tính thể tích chất lưu truyền qua sẽ sai và nếu kết tảng trên điện cực thì không chỉ kết quả sẽ sai mà còn có thể gây hỏng thiết bị. Điều kiện tốt nhất cho lưu lượng kế điện từ là hoạt động ở 60% giá trị cực đại đo được.

Tiếp đất cho thiết bị

Lưu ý rằng các đoạn trong ống của lưu lượng kế điện từ phải là không dẫn điện để đảm bảo mạch hoạt động chính xác. Vì thế khi lắp đặt lưu lượng kế điện từ thì việc tiếp đất là không thể qua bỏ qua.

Nhiệt độ và áp suất

Lưu lượng kế điện từ được thiết kế để vừa làm việc tại nhiệt độ và áp lực vừa  phải,  không  nên   nhấn   mạnh   trong   những   mô   tả   kỹ   thuật.  Lưu lượng kế điện từ đã trở thành một trong những dòng công nghệ được sử dụng rộng rãi trong 50 năm kể từ lần đầu tiên được giới thiệu. Chúng đơn giản và bởi vì lưu lượng kế điện từ không có bộ phận chuyển động nên có khả năng hoạt động trong nhiều năm qua mà hầu như không cần bảo trì hoặc việc bảo trì cũng rất đơn giản.