I. Đồng hồ đo lưu lượng nước là gì ?
1. Định nghĩa về đồng hồ nước
Đồng hồ đo lưu lượng nước có tên gọi trong tiếng anh là Flow meter water. Được biết đến là một thiết bị đo lường dùng để đo khổi lượng đã sử dụng tại một thời điểm tức thời hoặc lưu lượng tổng của dòng chảy nước đi qua đường ống.

Lưu lượng nước chảy qua đồng hồ được đo đạc bằng bộ đếm thể tích hoặc cảm biến và hiển thị lên mặt đồng hồ. Hiện tại đồng hồ nước có 2 dạng đo chính là kiểu đo thể tích và kiểu đo tốc độ dòng chảy

Đồng hồ nước là thiết bị đo lường rất quan trọng và không thể thiếu trong đời sống hiện đại ngày nay. Hiện nay đồng hồ đo nước được sử dụng rất nhiều vào các ứng dụng đời sống như : đo nước trong các hộ gia đình, nhà máy xử lý nước, bể bơi, chung cư, đường ống cấp thoát nước thủy lợi…

Với sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học kỹ thuật công nghệ, vì thế mà đồng hồ đo nước ngày càng đa dạng về chủng loại từ đồng hồ đo nước dạng cơ, đồng hồ đo nước điện từ, đồng hồ đo nước dạng siêu âm, đồng hồ đo nước kiểu turbine với các kích thước, mẫu mã vô cùng đa dạng
2. Lịch sử hình thành và phát triển của đồng hồ đo nước
Thời kỳ nền văn minh cổ đại

Với sự ghi chép của các tác giả nghiên cứu được truyền lại qua nhiều giai đoạn năm tháng, có thể nền móng của sự xuất hiện đồng hồ bắt nguồn từ thời Ai Cập cổ đại vào khoảng thế kỉ 16 trước công nguyên.

Từ nền văn minh Ai Cập cổ đại con người đã nhận thức được tầm quan trọng của nước trong việc phát triển nông nghiệp, thủy lợi và đời sống. Chính vì thế để đo đếm được lưu lượng nước đã thôi thúc cho sự nghiên cứu và ra đời của đồng hồ đo nước

Thời kỳ hiện đại

Qua các giai đoạn phát triển cho đến năm 1970 Reinhard Woltman ( 1757 – 1837 ) là một kỹ sư thủy lực người Đức, được biết đến với việc phát minh ra thiết bị đo lưu lượng dựa trên tuabin Woltman.

Ban đầu ông phát minh ra thiết bị đo sử dụng cánh quạt quay trong không khí, đây là tiền thân cho sự ra đời của đồng hồ nước sau này. Việc sử dụng nguyên lý và những nghiên cứu của ông để cải tiến tạo ra sản phẩm đồng hồ đo nước ứng dụng thực tiễn thời bấy giờ. Chính vì thế thiết bị đo lưu lượng này được lấy từ tên của ông, từ đó ta có sản phẩm đồng hồ đo lưu lượng kiểu woltman

Từ những phát minh về thiết bị đo lưu lượng nước Woltman, về sau này các nhà khoa học, kỹ sư đã sáng tạo và phát triển nên các dòng đồng hồ đo lưu lượng nước thải, đồng hồ đo nước sạch và các chất lỏng khác.

Vào cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21 đánh dấu sự ra đời của dòng đồng hồ thông minh với tên đồng hồ đo lưu lượng điện từ, đồng hồ đo lưu lượng dạng sóng siêu âm, đồng hồ đo lưu lượng cảm biến đầu dò

Cùng chúng tôi tìm hiểu cụ thể về từng loại đồng hồ, trong bài viết dưới đây nhé !
II. Phân loại và nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo nước
1. Đồng hồ đo nước dạng cơ
a. Dạng tốc độ 
– Đồng hồ đo lưu lượng nước kiểu tốc độ dựa trên nguyên lý đếm tổng số vòng quay của bộ phận chuyển động ( cánh quạt, tuabin ) để tính lưu lượng nước đi qua. Đối với dạng tốc độ đồng hồ hoạt động gọi là nguyên lý Woltman về áp suất dòng chảy.

– Dòng đồng hồ Woltman này được lắp đặt trực tiếp trên hệ thống đường ống, có bộ phận chuyển động trực tiếp là tuabin dựa vào tác động lực của dòng chảy

– Hoạt động của bộ phận chuyển động này được truyền tới thiết bị đếm dạng cơ học hoặc cơ cấu từ tính để tính lưu lượng nước đi qua

– Đồng hồ nước kiểu tốc độ được chế tạo và lắp đặt cho các đường ống có kích thước từ phi 21 đến 1200mm, với dạn kết nối lắp bích hoặc lắp ren.

– Nhược điểm của loại đồng hồ này là các gối đỡ nhanh bị mòn và dẫn đến hư hỏng nếu lưu chất trong đường ống có chưa các chất cặn. Bên cạnh đó đồng hồ tuabin này cũng không được sử dụng trong các môi trường nước thải có rác, chất rắn, điều này sẽ làm hư hỏng cánh quạt của đồng hồ
b. Dạng thể tích
Đồng hồ đo nước dạng thể tích là loại có buồng đong với thể tích đã được xác định trước. Đồng hồ này hoạt động theo cơ cấu truyền động với nguyên lý lần lượt nạp đầy nước vào buồng đong và sau đó xả hết ra ngoài. Từ đó dựa vào thiết bị tính thể tích dòng chảy bằng tổng số các thể tích đã chảy qua đồng hồ

Do sự ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng từ đó dẫn đến sai số đo lường của đồng hồ đo nước dạng thể tích nhỏ hơn nhiều so với đồng hồ đo nước kiểu tốc độ

Mặc dù có độ sai số thấp nhưng đồng hồ đo nước dạng thể tích lại ít được sử dụng hơn, một phần vì kết cấu khá phức tạp. Bên cạnh đó là không đáp ứng được đối với các đường ống có kích thước lớn. Tại thị trường Việt Nam chúng ta thường ít khi bắt gặp loại đồng hồ này

2. Đồng hồ đo nước điện từ

 a. Dạng cảm biến đo lưu lượng điện từ

– Đồng hồ đo lưu lượng điện từ là thiết bị đo lường, sử dụng cảm biến điện từ để đo các lưu chất đi qua. Với điểm đặc điểm nổi bật về khả năng đo lường có độ chính xác cao. Kết quả được hiển thị trên màn hình LCD giúp chúng ta thuận tiện cho quá trình quan sát và đọc kết quả

– Tên tiếng anh thường gọi của đồng hồ điện từ này là : Electronic flow meter hay Flow metter magnetic

Hiện nay đồng hồ đo lưu lượng nước điện từ được sử dụng khá phổ biến nhờ những ưu điểm nổi bật như : độ chính xác cao, phần thân đồng hồ là dạng ống rỗng nên không bị kẹt dính bởi các chất rắn từ đó phù hợp sử dụng trong nhiều môi trường khác nhau.

Đặc biệt khả năng đo lường chính xác với nhiều đơn vị khác nhau, có kết nối tín hiệu analog 4 – 20mA và modbus RS485 giúp chúng ta có thể quan sát, vận hành điều khiển từ tủ trung tâm, máy tính

Đồng hồ đo nước điện từ được ứng dụng trong các môi trường đo nước sạch, nước thải, hóa chất, dầu, nhớt và nhiều chất lỏng khác. Sự ra đời của đồng hồ đo lưu lượng nước kiểu điện từ, đánh dấu cho sự phát triển của ngành công nghiệp nói chung và sản phẩm đồng hồ nước nói riêng

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nước điện từ như sau :

– Đồng hồ nước điện từ hoạt động dựa vào nguyên lý cảm biến điện từ dựa trên định luật điện từ Faraday, được dùng để đo các chất lỏng có độ dẫn điện. Trong đó hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường B, cắt ngang dòng chảy đường ống.

Theo định luật Faraday khi chất lỏng đi qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Điện áp này được lấy ra bởi 2 điện cực được đặt trong đường ống. Tốc độ của dòng chảy sẽ tỷ lệ thuận với biên độ điện áp cảm ứng đo được.

Cuộn dây tạo ra từ trường B được kích hoạt bởi nguồn điện AC hoặc DC. Tức là khi kích hoạt bằng nguồn điện AC – dòng điện xoay chiều, có thuận lợi đối với dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn điện DC. Tuy nhiên khi kích hoạt bằng nguồn AC thì sẽ bị nhạy cảm với nhiễu nên dẫn đến độ sai số khi đo

b. Dạng cảm biến lưu lượng Coriolis 

Đây là loại đồng hồ thực hiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chảy lưu chất chảy qua ống dẫn. Việc lắp đặt có thể thực hiện bởi đường ống thẳng đơn hoặc ống đôi có đoạn cong.

Đối với cấu trúc của ống thẳng đơn dễ dàng chế tạo, lắp đặt và bảo trì, bảo dưỡng nhưng thiết bị đo dạng này rất dễ bị nhạy cảm với nhiễu và các tác động bên ngoài

Cấu trúc của đường ống cong cho phép loại bỏ được nhiễu tác động và kết quả đo, vì 2 ống dẫn dòng chảy dao động ngược pha nhau, nên sẽ triệt tiêu được hiện tượng nhiễu

Cảm biến đo lưu lượng nước Coriolis thì hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được dao động ở tần số cộng hưởng, bởi từ trường bên ngoài

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo lưu lương nước Coriolis

Hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được cho là dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi tác động của từ trường mạnh bên ngoài. Khi chất lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn, sẽ tạo ra lực Coriolis. Dao động rung của các ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng đã tạo ra hiện tượng xoắn trên ống dẫn này

Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịch với hướng bên kia của ống dẫn, sự cản trở chất lỏng đến phương truyền động thẳng đứng

Các sensor điện cực được đặt ở cả phía dòng chảy vào và dòng chảy ra trên thành ống, để xác định sai lệch về thời gian và sự dịch pha (Δt) của tín hiệu vào ( Inlet pickoff signal ) và tín hiệu ra ( Outlet pickup signal )

Sự sai lệch dịch pha (Δt) được dùng để xác định trực tiếp khối lượng dòng chảy qua ống

c. Cảm biến lưu lượng siêu âm

Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler, bao gồm bộ phát và bộ thu

Bộ phát thực hiện lan truyền sóng siêu âm với tần số f1 = 0.5 – 10 Mhz vào chất lỏng với vận tốc ( v )

Những hạt vật chất này phản xạ sóng lan truyền đến bộ thu với tần số là f2. Sai lệch giữa tần số phát ra và tần số thu về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc của dòng chảy.

Đặc biệt cảm biến đo lưu lượng siêu âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của các hạt vật chất trong chất lỏng, nên nó không làm việc được với các chất lỏng một pha hoặc tinh khiết

Cảm biến siêu âm xuyên thẳng  ( transit-time ) có thể cho phép đo lưu lượng đối với chất lỏng , khí có độ sạch cao nhất và không lẫn tạp chất. Cấu tạo của thiết bị này bao gồm một cặp thiết bị biến đổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy.

Mỗi thiết bị biến đổi bao gồm một bộ thu và 1 bộ phát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau ( thiết bị này phát thì thiết bị kia sẽ thu ). Dòng chảy trong ống gây ra sự sai lệch thời gian của chùm sóng siêu âm khi di chuyển ngược dòng và xuôi dòng chảy.

Việc đo giá trị sai lệch về thời gian của chùm sóng xuyên qua dòng chảy này cho phép ta xác định vận tốc của dòng chảy. Sự sai lệch thời gian này là vô cùng nhỏ được tính bằng nano/giây. Do đó cần phải thực hiện thiết bị đo điện từ, điện tử có độ chính xác cao

d. Cảm biến lưu lượng nước dựa vào chênh lệch áp suất

Đồng hồ nước dạng này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli ( Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh lệch áp suất này để tính toán vận tốc dòng chảy )

Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venturre.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo nước dựa vào sự chênh lệch áp suất

Khi chất lỏng chảy qua theo lỗ này, dựa vào định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó theo nguyên lý Bernoulli. Điều này có nghĩa là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra

Khi tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy. Dựa vào vận tốc dòng chảy này từ đó tính toán ra lưu lượng mà đồng hồ đo được
III. Các cấp đo của đồng hồ nước 
Đồng hồ nước được phân chia thành 4 cấp phụ thuộc vào các giá trị Qmin và Qt như sau

Cấp A : Đồng hồ đo lưu lượng nước cấp A ( Đo nước thải ) được chia theo lưu lượng danh định Qn < 15m3/h và Qn > 15m3/h với các thông số Qmin – Qt – Qmin – Qt lần lượt là : 0.04 – 0.10 – 0.08 – 0.30

Cấp B : Đồng hồ đo lưu lượng cấp B ( Đo nước sạch ) cũng được phân chia thành 2 loại Qn < 15m3/h và Qn > 15m3/h với các thông số Qmin – Qt – Qmin – Qt lần lượt như sau : 0.02 – 0.08 – 0.03 – 0.20

Cấp C : Đồng hồ đo lưu lượng nước cấp C được phân làm 2 loại Qn < 15m3/h và Qn > 15m3/h với các thông số Qmin – Qt – Qmin – Qt lần lượt như sau : 0.01 – 0.015 – 0.03 – 0.06 – 0.015

Cấp D : Đồng hồ đo lưu lượng nước cấp D chỉ có 1 loại Qn < 15 m3/h với thông số Qmin lần lượt là 0.0075 – 0.0115
IV. Các thông số của đồng hồ đo lưu lượng nước mà bạn cần biết
Lưu lượng danh định Qn : Là lưu lượng mà đồng hồ nước phải hoạt động theo đúng yêu cầu quy định ở điều kiện sử dụng thông thường tại thời điểm dòng chảy liên tục hoặc ngắt quảng

Lưu lượng tối đa Qmax : Là lưu lượng mà đồng hồ đo nước phải hoạt động theo đúng yêu cầu trong một khoảng thời gian ngắn mà không bị hư hỏng. Giá trị Qmax bằng 2 lần giá trị Qn

Lưu lượng tối thiểu Qmin : Là lưu lượng nhỏ nhất mà đồng hồ đo được tại thời điểm đó, tuy nhiên phải có sai số nằm trong phạm vi cho phép lớn nhất.

Phạm vi lưu lượng : Là khoảng được giới hạn bởi Qmax và Qmin, trong khoảng này chỉ số của đồng hồ đo không được vượt quá sai số cho phép lớn nhất. Tại khoảng này được chia thành hai vùng gọi là ”vùng trên”và ”vùng dưới” bằng giá trị chuyển tiếp Qt

Lưu lượng chuyển tiếp Qt : là lưu lượng có giá trị nằm giữa lưu lượng tối đa và lưu lượng tối thiểu, mỗi vùng được đặc trưng bằng sai số cho phép lớn nhất như sau :

Vùng dưới : Là vùng có giá trị từ Qmin ( bao gồm cả giá trị Qmin ) đến Qt ( không gồm giá trị Qt ). Tại vùng này sai số cho phép lớn nhất của lưu lượng đo đồng hồ nước là ± 5%

Vùng trên : Là vùng lưu lượng có giá trị từ Qt ( gồm cả giá trị Qt ) đến Qmax ( bao gồm cả giá trị Qmax ) tại vùng này sai số cho phép lớn nhất của đồng hồ đo lưu lượng là ± 2%