BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VŨ CÔNG CHÍNH

NGHIÊN CỨU NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC
LORENTZ TRONG LƯU LƯỢNG KẾ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 5 6 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VŨ CÔNG CHÍNH

NGHIÊN CỨU NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC
LORENTZ TRONG LƯU LƯỢNG KẾ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ CHÍ KIÊN


II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung cấp chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 6/2006

Nơi học (trường, thành phố):

Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, TP.HCM

Ngành học: Điện Tử Công Nghiệp
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Liên thông đại học

Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 09/2011

Nơi học (trường, thành phố):

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Hệ thống Server dự phòng dùng WINCC
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 08/2011, Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
3. Cao học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2012 đến 09/2014


Nhân viên kỹ thuật

Làm việc tại nhà
Ngày 16 tháng 04 năm 2015
Ngƣời khai ký tên

Vũ Công Chính

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. HCM, ngày 16 tháng 4 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Vũ Công Chính

iii


LỜI CẢM TẠ
Trước hết, tôi xin cảm ơn TS. Lê Chí Kiên, người thầy đã tận tình hướng dẫn
và dìu dắt tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ
Chí Minh đã trang bị cho tôi một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong
quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin cảm ơn các bạn bè, người thân, đồng nghiệp và các bạn học cùng khóa đã giúp

ABSTRACT
The flow of molten metal is usually high temperature, corrosion and not
transparent. Hence the use of flow measurement techniques usually difficult.
Recently, a non-contact technique has been developed, it is called the Lorentz Force
Flowmeter (LFF). The basic principle of the LFF is based on the interaction of an
electrically conductive fluid motion in the magnetic field. The magnetic field of the
magnet will generate a Lorentz force in the liquid and it depends on the velocity of
moving metal.
To measure the flow of liquid metal flow is necessary to determine the
Lorentz force, however Lorentz force in the LFF is usually very small and depends
on many factors. Thus the content of this topic focuses on the study of the factors
influencing the change of Lorentz force.
Model to examine the factors affecting the Lorentz force in the LFF is built on
a foundation of software COMSOL Multiphysics (ver 5.0). The model consists of a
square metal bar and the system generates a magnetic field consists of two Ushaped magnet is mounted on a steel frame.

vi


MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Lời cảm tạ
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách các từ viết tắt và ký hiệu khoa học
Danh sách các hình
Chƣơng 1: Tổng quan

6

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

6

1.4 Phương pháp nghiên cứu

6

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

7

2.1 Lý thuyết về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)

7

2.1.1 Khái niệm

7

2.1.2 Ví dụ điển hình về từ thủy động lực học

7

2.1.3 Nguyên lý từ thủy động lực học

9



2.3.1 Lưu lượng kế điện từ DC

15

2.3.1.1 Lịch sử hình thành

15

2.3.1.2 Lưu lượng kế quy nạp điện từ

16

2.3.1.3 Lưu lượng kế lực Lorentz

17

2.3.1.4 Lưu lượng kế quay

17

2.3.2 Lưu lượng kế điện từ AC

17

2.3.2.1 Lưu lượng kế dòng điện xoáy

17

2.3.2.2 Lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp Tomography (CIFT)


3.5.2 Dòng điện thứ cấp

30

3.5.3 Từ trường thứ cấp

31

3.5.4 Lực Lorentz

33

Chƣơng 4. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ CHÍNH ẢNH HƢỞNG ĐẾN LỰC
LORENTZ

35

4.1 Sự ảnh hưởng của vận tốc tới lực lorentz

35

4.2 Sự ảnh hưởng của điện dẫn suất tới lực Lorentz

38

4.3 Sự ảnh hưởng của mật độ từ hóa tới lực Lorentz

41


LFF: Lorentz force flow meters(lưu lượng kế lực Lorentz)
CIFT: Contactless Inductive Flow Tomography (Lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp
Tomography)

Ký hiệu khoa học
F: là lực tác động
B: là từ trường
E: là điện trường
q: là điện tích của hạt mang điện chuyển động
v: là vận tốc chuyển động
x: là phép nhân có hướng vector
ρ: là mật độ chất lỏng
P: là áp suất của dòng chảy
ν: độ nhớt động học của chất lỏng
µ: là độ từ thẩm
𝜎: là điện dẫn suất của dòng lưu chất
S: là độ nhạy của lưu lượng kế
j: là mật độ dòng điện
dF: là lực Lorentz tác dụng lên một khu vực nhỏ trên một phân bố điện tích đều liên tục
dq: là điện tích tại khu vực nhỏ
dV:một đơn vị thể tích
f : là lực Lorentz trên một đơn vị thể tích (hay là mật độ lực lorentz)
J(r): dòng điện trong cuộn dây
B(r): từ trường do dòng điện sơ cấp tạo ra
j(r): dòng điện xoáy được gây ra bởi sự chuyển động của dòng lưu chất dưới tác dụng của
từ trường sơ cấp

 (r): điện thế
ix


9

Hình 2.4: Lực Lorentz trên điện tích q.

11

Hình 2.5: Lực Lorentz trên điện tích dq.

11

Hình 2.6: Quỹ đạo điện tích trong từ trường.

12

Hình 2.7: Dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn điện.

13

Hình 2.8: Hình ảnh dòng điện xoáy trong trường hợp không có vết nứt (hình
bêntrái) và trường hợp có vết nứt (hình bên phải).

14

Hình 2.9: Hình ảnh dòng điện xoáy suy giảm theo độ sâu của vật liệu dẫn điện. 15
Hình 3.1a: Từ trường sinh ra bởi cuộn dây.

20

Hình 3.1b: Từ trường sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu.



36

Hình 4.4a:Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=0cm khi vận tốc thay
đổi

37

Hình 4.4b: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=3cm khi vận tốc thay
đổi

37

Hình 4.4c: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=5cm khi vận tốc thay
xi


đổi

37

Hình 4.5: Lực lorentz và điện dẫn suất

38

Hình 4.6: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi 𝜎 thay đổi

39

Hình 4.7: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương y,z khi 𝜎 thay đổi 40


Hình 4.15: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi không có
gông từ và chiều cao 6cm

46

Hình 4.16: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi không có
gông từ và chiều cao 14cm

47

xii


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố
1.1.1Giới thiệu về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)
Sự tương tác của các chất lỏng dẫn điện đang chuyển động với điện từ trường
sẽ làm xuất hiện các loại hiện tượng phong phú liên quan đến sự chuyển đổi năng
lượng từ sự chuyển động của các dòng chất lỏng dẫn điện thành năng lượng điện.
Các hiệu ứng có nguồn gốc từ các tương tác như vậy có thể được quan sát thấy
trong các chất lỏng, chất khí, hỗn hợp hai pha, hoặc plasma. Nhiều ứng dụng khoa
học kỹ thuật đã và đang được sử dụng hiện nay, chẳng hạn như kiểm soát nhiệt độ

giảm lực cản. Nghiên cứu rộng rãi trên toàn cầu về khả năng lưu trữ từ của các dòng
plasma nhằm mục đích đạt được tới các điều kiện để duy trì phản ứng nhiệt hạch.
1.1.2 Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí trong công nghiệp
Đo lưu lượng đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì nó phục vụ cho mục
đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa
các quá trình sản xuất. Chính vì vậy việc hiểu rõ về phương pháp đo, cũng như nắm
vững các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng là điều hết sức cần thiết.
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí,
chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩmnước giải khát, dầu mỏ- khí đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng,
kim loại hóa lỏng, thủy tinh hóa lỏng … Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất
đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào. Việc
chọn lựa cảm biến đo lưu lượng loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc
tính chất lỏng (dòng chảy, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng,
chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng và yêu cầu về độ chính xác phép đo.
Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh
hưởng đến quyết định chọn lựa này. Nói chung, độ chính xác của lưu lượng kế còn
phụ thuộc vào cả môi trường đo xung quanh. Các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ,
chất lỏng/khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh hưởng đến kết quả
đo.
Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý
hoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu
lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm.
Một vấn đề gặp phải đó là việc đo lưu lượng trong các dòng kim loại lỏng,
thủy tinh tan chảy… là một vấn đề rất khó khăn bởi vì các vật liệu này thường
HVTH: Vũ Công Chính2

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Bài viết này mô tả các bước đầu tiên trong quá trình thiết kế của một hệ thống
từ trường cho các lưu lượng kế để đo lưu lượng của dòng chất lỏng sử dụng lực
HVTH: Vũ Công Chính3

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Lorentz trong các dòng chất lỏng có điện dẫn suất thấp nhưdòng thủy tinh nóng
chảy. Do đó, phương pháp mô hình mạng đã được sử dụng để lựa chọn các loại
nguồn từ tính. Tác giả sử dụng các công cụ mô phỏng 3D MAXWELL và
COMSOL để so sánh các sự ảnh hưởng của các hệ thống từ tính khác nhau đến việc
đo lưu lượng. Kết quả đạt được trong bài báo muốn đề cập là chọn lựa được một hệ
thống từ trường phù hợp cho các lưu lượng kế cho những dòng lưu chất có đặc điểm
như trên.
+“Contactless Electromagnetic Phase-Shift Flowmeter for Liquid Metals”,
Janis Priede, Dominique Buchenau and Gunter Gerbeth[2]
Bài báo này trình bày một khái niệm và các kết quả thử nghiệm của một lưu
lượng kế dựa trên nguyên tắc dòng điện xoáy để đo lưu lượng cho dòng kim loại
lỏng. Tốc độ dòng chảy được xác định bằng cách áp một từ trường xoay chiều yếu
lên một dòng kim loại lỏng và đo các sự xáo trộn pha trong chất lỏng được sinh ra
bởi từ trường bên ngoài. Các đặc tính cơ bản của lưu lượng kế loạinày được phân
tích bằng cách sử dụng mô hình lý thuyết đơn giản, trong đó dòng chảy được xấp xỉ
bằng một chuyển động vật thể rắn.
Mô hình được sử dụng trong bài báo này gồm có một cuộn dây tạo ra từ
trường và hai cuộn dây được đặt đối diện với cuộn dây thứ nhất để phát hiện các từ
trường thứ cấp được sinh ra do dòng điện xoáy gây ra. Kết quả thu được khi thay

nghiên cứu các phương pháp đo trong các lĩnh vực như vậy là điều rất được quan
tâm hiện nay.
Nội dung bài viết này nhằm mục đích chứng minh rằng các dòng kim loại
nóng chảy ở nhiệt độ cao có thể đo được một cách hiệu quả theo phương pháp
không tiếp xúc bằng cách sử dụng từ trường bên ngoài. Các thiết bị được áp dụng
trong nội dung bài viết này được gọi là lưu lượng kế lực Lorentz (LFF) và được dựa
trên nguyên tắc là cho dòng chảy đi qua một hệ thống nam châm và đo lực kéo tác
động lên hệ thống nam châm đó. Có hai kết quả của phép đo được trình bày trong
bài viết này. Kết quả đo thứ nhất thu được từ việc thực hiện một thí nghiệm trên mô
hình trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng hợp kim eutectic GaInSn, trong đó
dòng chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Kết quả đo thứ hai thu được từ việc thực hiện thử
nghiệm việc đo lưu lượng của hợp kim nhôm hóa lỏng tại nhà máy. Trong cả hai
thử nghiệmtrên, các lực tác động lên hệ thống nam châm được đo chính là lực
Lorentz tác độnglên dòng chảy. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy vấn đề hiệu chỉnh
trong quá trình sử dụng là cần thiết, các yếu tố về từ trường cần phải chú ý khi thiết
kế hay nói cách khác hệ thống từ trường đóng một vai trò quan trọng trong lưu
lượng kế loại này.

HVTH: Vũ Công Chính5

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

+“Sensitivity Analysis Of A Lorentz Force flowmeter For Laminar And
Turbulent flows In A Circular Pipe”, A. Thess, B. Knaepen, E. Votyakov and
O. Zikanov[4]


Chương 2

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)
2.1.1 Khái niệm
Từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD) là một lĩnh vực nằm
trong khuôn khổ vật lý – toán học liên quan đến vấn đề động lực học trong các chất
lỏng dẫn điện, hay nói cách khác từ thủy động lực học là một lĩnh vực nghiên cứu
các chất lưu (kim loại lỏng, plasma,…) dẫn điện chuyển động dưới tác động của
điện trường hoặc từ trường. Từ “MagnetoHydroDynamics” bao gồm các từ
Magneto-có nghĩa là từ tính, Hydro-có nghĩa là nước (hoặc chất lỏng) và Dynamicsđề cập đến sự chuyển động của một đối tượng dưới tác dụng của lực. Ngoài rà còn
có các thuật ngữ đồng nghĩa của từ “MagnetoHydroDynamics” mà ít được sử dụng
là“MagnetoFluidDynamics” và “HydroMagnetics”.
Một

trong

những

học

giả

nổi

tiếng


Chương 2

củadòng chảy là cần thiết ngoài những thông số về khối lượng. Ví dụ thứ hai mở
rộng
phạm vi của MHD ngoài các ứng dụng kỹ thuật và cung cấp cho ta một cáinhìn sâu
sắc hơn về MHD trong tự nhiên.
Ví dụ thứ nhất: Trong công nghiệp việc một thanh thép được sản xuất bằng
cách nung chảy một lượng thép nhất định và thêm vào một số thành phần để thay
đổi các đặc tính vật liệu của sản phẩm cần tạo ra, sau đó nó được rót vào khuôn đúc
với các hình dạng như mong muốn. Nếu việc nung chảy thép chỉ đơn thuần là quá
trình đúc, làm mát và hóa rắn thì sẽ đòi hỏi mộtlượng thời gian đáng kể và sản
phẩm sẽ không có sự đồng nhất và hoàn hảo.
Thay vào đó, người ta sử dụng một máy trộn điện từ được đặt ở phía trên
miệng của khuôn đúc. Khi dung dịch thép hóa lỏng được đổ vào khuôn, nó sẽ đi
ngang qua nam châm điện của máy trộn và chúng sẽ bị lệch khỏi phương thẳng khi
đi xuống theo hướngngang. Các thay đổi hướng trong quá trình nung làm cho việc
tạo ra các sản phẩm chất lượng hơn.
Mặc dù phải cung cấp một nguồn năng lượng cho nam châm điện, tuy nhiên
các nam châm điện không chỉ liên quan đến các thành phần trong quá trình đúc thép
mà còn liên quan đến nhiệt độ của các khuôn đúc. Như vậy, các máy trộn không chỉ
giúp loại bỏ tạp chất mà nócòn tăng cường sự truyền nhiệt ra bên ngoài của các
phôi thép, giảm thiểu thời gian trong quá trình làm nguội thép.
Ví dụ thứ hai: Đây là một ví dụ nổi bật và hữu hình của một hiện tượng MHD
trong tự nhiên được gọi là Polar Lights, còn được biết đến dưới tên gọi Aurora
Borealis (Bắc cực quang) và Aurora Australis (Nam cực quang), hoặc chỉ đơn giản
là Aurora.

HVTH:Vũ Công Chính

8


9

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Hình 2.3: Qui tắc xác định chiều dòng điện
2.1.4 Các phương trình cơ bản
2.1.4.1 Phương trình Navier Stokes
Phương trình chuyển động này dựa trên phương trình chuyển động theo định
luật 2 Newton. Những phương trình này còn được gọi là phương trình NavierStokes. Phương trình ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng có dạng:
V
1
  V.  V   p   2 V  F
t


(2.2)

Trong đó:
- ρ là mật độ chất lỏng.
- V vận tốc của dòng chảy.
- p là áp suất của dòng chảy.
- ν độ nhớt động học của chất lỏng.
- F là các lực khác tác dụng lên dòng chảy.
Khi dòng chất lỏng có mật độ dòng điện là j, được đặt trong một từ trường B,

Trong đó:
- µ là độ từ thẩm.
- B là từ trường.
HVTH:Vũ Công Chính

10

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

- jlà mật độ dòng điện.
- E là điện trường.
2.1.4.3 Định luật Ohm
Từ việc áp dụng định luật Ohm cho một vật dẫn chuyển động, có thể rút ra kết
luận về các dòng điện xoáy gây ra trong một vật liệu dẫn điện. Nó phát sinh từ sự
chênh lệch điện thế và sự chuyển động của vật dẫn trong một từ trường. Ở đây, σ là
điện dẫn suất. Đối với kim loại lỏng, σ có giá trị khoảng 106S/m, và chất rắn là 107
S/m.


 
J   [.  (v  B)]

(2.7)

2.1.4.4 Phương trình lực Lorentz

GVHD: TS.Lê Chí Kiên