Không phải dòng chảy nào cũng đi trong ống kín. Kênh thoát nước, mương thủy lợi, sông nhỏ và hệ thống xử lý nước thải thường là dòng chảy hở. Đo lưu lượng trong những trường hợp này không thể dùng đồng hồ lưu lượng lắp trong ống thông thường. Phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay là dùng cảm biến siêu âm đo mức nước, kết hợp với công trình thủy lực đặc biệt để tính ra lưu lượng. Bài viết này giải thích nguyên lý, cách lắp đặt và những lưu ý quan trọng khi áp dụng phương pháp này.
Tại Sao Dùng Siêu Âm Mức Để Đo Lưu Lượng Kênh Hở?
Kênh hở có bề mặt thoáng tiếp xúc với không khí. Không thể lắp đồng hồ lưu lượng kiểu ống kín vào đây. Các phương pháp đo truyền thống như thước đo mực nước thủ công tốn nhân công và không liên tục.
Cảm biến siêu âm đo mức giải quyết được vấn đề này. Cảm biến lắp phía trên mặt nước. Phát sóng siêu âm xuống bề mặt nước. Sóng phản xạ trở lại. Thời gian đi và về tỷ lệ với khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước. Từ đó tính ra chiều cao mực nước.
Từ chiều cao mực nước, kết hợp với công thức thủy lực của công trình đo, bộ xử lý tính ra lưu lượng tức thời và tổng lưu lượng tích lũy.
Ưu điểm lớn là không tiếp xúc với nước. Cảm biến lắp trên cao, không bị bẩn và không cần bảo trì thường xuyên. Phù hợp với nước thải, bùn loãng và nước mưa.
Nguyên Lý Chuyển Đổi Mực Nước Thành Lưu Lượng
Đây là bước quan trọng nhất cần hiểu rõ. Cảm biến siêu âm chỉ đo được mực nước. Muốn có lưu lượng, cần có mối quan hệ toán học giữa mực nước và lưu lượng.
Mối quan hệ này được tạo ra bởi công trình thủy lực tiêu chuẩn. Có hai loại phổ biến nhất là đập tràn và máng đo.
Đập tràn là vách chắn có mép cắt nước đặt ngang kênh. Nước dâng lên phía thượng lưu và tràn qua mép đập. Chiều cao nước phía thượng lưu liên quan chặt chẽ với lưu lượng qua đập theo công thức thủy lực đã được kiểm chứng. Đập hình chữ V hay còn gọi là Thompson weir phổ biến cho lưu lượng nhỏ. Đập hình chữ nhật phù hợp lưu lượng lớn hơn.
Máng đo là đoạn kênh thu hẹp đặc biệt làm nước dâng lên và tạo ra dòng chảy tới hạn. Máng Parshall và máng Palmer-Bowlus là hai loại phổ biến trong xử lý nước thải. Mỗi kích thước máng có công thức riêng. Cảm biến đo mực nước tại vị trí quy định của máng và bộ xử lý dùng công thức tương ứng để tính lưu lượng.
Không thể đo lưu lượng kênh hở chính xác mà không có công trình thủy lực tiêu chuẩn. Đây là sai lầm phổ biến nhất khi lắp đặt hệ thống đo kênh hở.
Lắp Đặt Cảm Biến Siêu Âm Đúng Kỹ Thuật
Vị Trí Lắp Cảm Biến
Cảm biến phải đặt thẳng đứng phía trên điểm đo quy định của công trình thủy lực. Với đập tràn, điểm đo nằm phía thượng lưu cách mép đập một khoảng từ 4 đến 5 lần chiều cao nước tối đa. Với máng Parshall, điểm đo nằm tại vị trí ký hiệu Ha theo tiêu chuẩn thiết kế máng.
Lắp sai vị trí là nguyên nhân gây sai số lớn nhất trong đo lưu lượng kênh hở. Dù cảm biến hoạt động tốt nhưng đo ở điểm sai thì kết quả hoàn toàn không đúng.
Chiều cao lắp cảm biến cần đảm bảo vùng chết bên dưới đầu phát siêu âm không bao gồm mực nước tối đa của kênh. Vùng chết thường từ 20 đến 30 cm tùy loại cảm biến. Mực nước tối đa phải thấp hơn đáy vùng chết ít nhất 5 cm.
Cảm biến cần lắp vuông góc với mặt nước. Góc lệch làm sóng siêu âm phản xạ không trở về cảm biến đúng hướng. Tín hiệu yếu hoặc mất tín hiệu khi mực nước thấp.
Tránh Các Nguồn Gây Nhiễu
Sóng siêu âm phản xạ từ mọi vật thể dưới đầu phát. Cành cây, bọt nước, sóng gợn mặt nước mạnh và thành kênh đều có thể tạo ra phản xạ giả.
Không lắp cảm biến gần thành kênh hoặc vật thể nhô ra trong tầm phát sóng. Khoảng cách từ mép sóng siêu âm đến thành kênh hoặc vật cản ít nhất 10 đến 15 cm.
Tránh lắp nơi có gió mạnh thổi qua bề mặt nước. Gió làm mặt nước gợn sóng. Sóng mặt nước làm tín hiệu phản xạ không ổn định. Chỉ số mực nước dao động liên tục dù mực nước thực tế không thay đổi.
Bọt nước dày trên mặt là vấn đề nghiêm trọng trong nước thải sinh hoạt. Sóng siêu âm phản xạ từ mặt bọt thay vì mặt nước thật. Đo ra mực nước cao hơn thực tế. Cần chọn vị trí ít bọt nhất có thể hoặc dùng ống dẫn sóng để bảo vệ cảm biến khỏi bọt.
Bảo Vệ Cảm Biến Ngoài Trời
Hầu hết hệ thống kênh hở lắp ngoài trời. Cảm biến tiếp xúc với ánh nắng trực tiếp, mưa và biến đổi nhiệt độ lớn theo ngày đêm.
Ánh nắng làm nóng vỏ cảm biến. Nhiệt độ cao làm thay đổi tốc độ âm thanh trong không khí. Bộ xử lý hiện đại có bù trừ nhiệt độ tự động. Nhưng cần đảm bảo cảm biến đo nhiệt độ không khí đúng, không bị ảnh hưởng bởi bức xạ nhiệt trực tiếp từ nắng.
Lắp tán che nắng phía trên cảm biến để giảm ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và bảo vệ cảm biến khỏi mưa trực tiếp.
Cài Đặt Và Hiệu Chuẩn Hệ Thống
Nhập Thông Số Công Trình Thủy Lực
Sau khi lắp cảm biến, cần cài đặt đúng thông số công trình thủy lực vào bộ xử lý. Với đập tràn cần nhập loại đập, chiều rộng đỉnh đập và hệ số lưu lượng. Với máng Parshall cần nhập kích thước họng máng. Bộ xử lý dùng các thông số này để tính lưu lượng từ mực nước đo được.
Nhập sai thông số công trình làm toàn bộ kết quả tính lưu lượng sai dù cảm biến đo mực nước hoàn toàn chính xác.
Cài đặt điểm zero chính xác. Zero là khoảng cách từ cảm biến đến mép tràn của đập hoặc đáy kênh tại điểm đo. Sai lệch điểm zero gây sai số tuyến tính trong toàn dải đo.
Kiểm Tra Bằng Phương Pháp So Sánh
Sau khi cài đặt xong, cần kiểm tra kết quả đo bằng phương pháp khác. Cách đơn giản nhất là dùng thước đo mực nước thủ công đặt tại điểm đo. So sánh mực nước cảm biến đọc với mực nước thước đo. Sai lệch không được vượt quá sai số cho phép của hệ thống, thường là 1 đến 2 phần trăm.
Nếu có thể đo lưu lượng bằng phương pháp khác như đo tốc độ dòng chảy bằng máy đo lưu tốc, so sánh kết quả với hệ thống siêu âm để xác nhận độ chính xác.
Cài Đặt Bộ Lọc Tín Hiệu
Mực nước trong kênh hở thường dao động nhỏ do sóng gợn và rung động. Cài đặt thời gian trung bình hóa phù hợp trong bộ xử lý. Thường từ 10 đến 60 giây tùy mức độ dao động của mực nước.
Thời gian trung bình hóa quá ngắn làm chỉ số nhảy số liên tục. Thời gian quá dài làm hệ thống phản hồi chậm khi lưu lượng thay đổi thực sự.
Những Sai Lầm Thường Gặp
Không có công trình thủy lực tiêu chuẩn mà vẫn lắp cảm biến đo mực nước rồi tự ước tính lưu lượng. Kết quả đo hoàn toàn không có giá trị về mặt kỹ thuật.
Lắp cảm biến không đúng vị trí đo quy định của công trình thủy lực. Đặc biệt phổ biến là lắp ngay tại mép đập thay vì phía thượng lưu theo quy định.
Không tính đến vùng chết của cảm biến. Lắp cảm biến quá thấp làm mực nước cao chạm vào vùng chết. Mất tín hiệu khi lưu lượng lớn nhất, đúng lúc cần đo nhất.
Không hiệu chuẩn định kỳ. Cảm biến siêu âm drift theo thời gian đặc biệt trong môi trường nhiệt độ thay đổi lớn. Hiệu chuẩn ít nhất mỗi năm một lần.
Bỏ qua vệ sinh bề mặt phát sóng của cảm biến. Bụi bẩn, nhện và rêu bám lên mặt phát sóng làm suy giảm tín hiệu và gây sai số.
Ứng Dụng Phổ Biến
Đo lưu lượng nước thải tại cửa xả nhà máy xử lý nước thải để báo cáo môi trường. Đây là ứng dụng phổ biến nhất và thường yêu cầu độ chính xác cao theo quy định cơ quan quản lý môi trường.
Đo lưu lượng kênh thủy lợi để quản lý phân phối nước tưới. Giúp cân bằng lượng nước giữa các khu vực và phát hiện thất thoát.
Đo lưu lượng nước mưa trong hệ thống thoát nước đô thị để quản lý ngập lụt và lập kế hoạch cải tạo hệ thống.
Đo lưu lượng tại các trạm bơm tiêu nước để theo dõi hiệu suất và lên lịch vận hành hợp lý.
Kết Luận
Đo lưu lượng kênh hở bằng siêu âm mức là phương pháp không tiếp xúc, ít bảo trì và phù hợp với nhiều loại lưu chất từ nước sạch đến nước thải. Nhưng chính xác hay không phụ thuộc vào ba yếu tố cốt lõi. Công trình thủy lực đúng tiêu chuẩn. Lắp đặt cảm biến đúng vị trí. Cài đặt và hiệu chuẩn đúng thông số. Thiếu bất kỳ yếu tố nào trong ba yếu tố này, kết quả đo lưu lượng sẽ không đáng tin cậy dù thiết bị đắt tiền đến đâu.
Xem thêm sản phẩm TẠI ĐÂY
FACEBOOK:https://web.facebook.com/Công Ty Tnhh Đầu Tư Và Thiết Bị Công Nghiệp ADM
Mọi nhu cầu tư vần hay báo giá sản phẩm liên hệ qua:
Điện thoại:0965.595.039
GMAIL: Vattunhamay01@gmail.com