Đơn vị đo lưu lượng trong hệ SI là m³/s, nhưng ngoài nhà máy người ta dùng m³/h cho nước và lưu lượng lớn, L/min cho lưu lượng nhỏ, còn khí thì tính bằng Nm³/h hoặc Sm³/h. Mỹ và nhiều catalogue nhập khẩu lại ghi GPM và SCFM. Mỗi đơn vị đo lưu lượng chỉ có nghĩa khi đi kèm loại chất lưu và điều kiện đo, nên chọn sai đơn vị là nguyên nhân quen thuộc khiến bơm, van, đồng hồ bị chọn lệch cỡ.
Các mục dưới đi từ định nghĩa, các đơn vị đo lưu lượng chất lỏng và chất khí, công thức chọn cỡ ống, hệ số Kv/Cv, đến bảng quy đổi và các loại thiết bị đo thường gặp trong nhà máy.
Lưu lượng là gì và đơn vị đo lưu lượng cơ bản
Lưu lượng là lượng chất lưu (thể tích hoặc khối lượng) đi qua một tiết diện trong một đơn vị thời gian, ký hiệu Q. Công thức cơ bản là Q = V/t, trong đó V là thể tích đã chảy qua và t là thời gian. Đơn vị đo lưu lượng áp dụng cho chất lưu như nước, dầu, hơi, khí nén, khí tự nhiên; các khái niệm như lưu lượng truy cập mạng hay lưu lượng giao thông thuộc lĩnh vực khác và không nằm trong phạm vi bài này.
Với dòng chảy đầy ống, lưu lượng còn bằng tích của vận tốc trung bình và diện tích tiết diện (Q = v × A). Vì vậy cùng một lưu lượng, ống nhỏ hơn sẽ có vận tốc cao hơn, kéo theo tổn thất áp suất lớn hơn và tiếng ồn, mài mòn nhiều hơn. Đây là lý do phải biết lưu lượng trước khi chọn ống, van hay bơm.
Lưu lượng thể tích, lưu lượng khối lượng và đơn vị đo lưu lượng tương ứng
Lưu lượng thể tích (Q) cho biết bao nhiêu thể tích đi qua mỗi đơn vị thời gian: lưu lượng = thể tích / thời gian, nên phải nắm vững đơn vị đo thể tích (m³, lít, gallon) trước khi đọc các đơn vị đo lưu lượng. Lưu lượng khối lượng (ṁ) cho biết bao nhiêu khối lượng đi qua, đơn vị kg/s, kg/h hoặc t/h.
Hai đại lượng này nối với nhau qua khối lượng riêng: ṁ = ρ·Q. Với nước (ρ ≈ 1000 kg/m³ ở nhiệt độ thường), 20 m³/h tương đương 20 t/h. Với không khí ở 0 °C và 1,01325 bar tuyệt đối (ρ ≈ 1,293 kg/m³), 100 Nm³/h chỉ là khoảng 129 kg/h.
Khi nào dùng đơn vị đo lưu lượng khối lượng
Khối lượng riêng của khí và hơi thay đổi mạnh theo áp suất và nhiệt độ, nên lưu lượng thể tích của chúng không phản ánh lượng chất thực. Hơi nước bão hòa ở 10 bar tuyệt đối có khối lượng riêng khoảng 5,1 kg/m³ (tham khảo theo bảng hơi), nghĩa là 1 m³ hơi ở áp suất này nặng gấp khoảng 4,5 lần 1 m³ hơi bão hòa ở 2 bar tuyệt đối (khoảng 1,13 kg/m³). Vì thế hơi nước được đo và thanh toán bằng kg/h hoặc t/h, còn lò hơi được ghi công suất theo t/h hơi.
Ngược lại, với nước hoặc dầu ở nhiệt độ ổn định, khối lượng riêng gần như không đổi nên người ta dùng thẳng lưu lượng thể tích cho đơn giản.
Các đơn vị đo lưu lượng chất lỏng
Đơn vị đo lưu lượng chất lỏng chung quy là thể tích chia cho thời gian. Cách chọn đơn vị đo lưu lượng thường theo độ lớn của dòng chảy: trạm cấp nước và nhà máy xử lý nước ghi m³/h hoặc m³/ngày; bơm công nghiệp, đường ống phụ ghi m³/h hoặc L/min; thiết bị nhỏ như bơm định lượng, vòi phun ghi L/h hoặc mL/min.
- m³/s: đơn vị SI, dùng cho sông, kênh, đường ống chính cỡ lớn.
- m³/h: đơn vị đo lưu lượng phổ biến nhất trong catalogue bơm, van và đồng hồ nước.
- L/s và L/min: L/s dùng trong cấp thoát nước và chữa cháy; L/min dùng cho lưu lượng nhỏ.
- US GPM: gallon Mỹ mỗi phút, 1 US gal = 3,785 411 784 L.
- UK GPM (imperial): gallon Anh mỗi phút, 1 UK gal = 4,546 09 L; ít gặp hơn nhưng vẫn xuất hiện trên thiết bị theo tiêu chuẩn Anh.
Khi đọc đơn vị đo lưu lượng cần chú ý GPM không ghi rõ Mỹ hay Anh sẽ chênh nhau khoảng 20%, vì gallon Anh lớn hơn gallon Mỹ. Nếu catalogue không nói gì, mặc định là US GPM. Các hệ số chính: 1 m³/h = 16,667 L/min = 4,403 US GPM; 1 L/s = 3,6 m³/h; 1 US GPM = 0,2271 m³/h.
Đơn vị đo lưu lượng khí: Nm³/h, Sm³/h, SCFM, ACFM
Khí bị nén hoặc giãn theo áp suất và nhiệt độ, nên 1 m³ khí ở 7 bar chứa nhiều phân tử hơn 1 m³ khí ở áp suất khí quyển. Vì vậy đơn vị đo lưu lượng khí phải gắn với một điều kiện chuẩn, nếu không con số vô nghĩa.
- Nm³/h (normal): mét khối ở điều kiện chuẩn, thường hiểu là 0 °C và 1,01325 bar tuyệt đối (DIN 1343); một số hãng máy nén dùng điều kiện khác, cần đọc chú thích.
- Sm³/h (standard): mét khối ở điều kiện tiêu chuẩn, thường là 15 °C hoặc 20 °C và 1,01325 bar; giá trị cụ thể theo quy ước từng ngành hoặc từng hãng, cần đọc chú thích trong catalogue.
- SCFM: feet khối chuẩn mỗi phút, điều kiện chuẩn cũng thay đổi theo hãng (ví dụ 60 °F hoặc 68 °F, 14,7 psia). 1 CFM = 1,699 m³/h, nên 1 SCFM bằng 1,699 m³/h tính ở chính điều kiện chuẩn của SCFM; quy về Nm³/h (0 °C) thì 1 SCFM ≈ 1,58–1,61 Nm³/h tùy hãng chọn 60, 68 hay 70 °F (tham khảo).
- ACFM / m³/h thực (actual): lưu lượng đo ngay tại áp suất và nhiệt độ vận hành, không quy đổi.
Quy đổi đơn vị đo lưu lượng khí về điều kiện chuẩn
Từ lưu lượng chuẩn Vn (Nm³/h) về lưu lượng thực V tại điều kiện vận hành, theo phương trình khí lý tưởng: V = Vn × (1,01325 / P) × (T / 273,15). Trong đó P là áp suất tuyệt đối tính bằng bar (áp kế đọc bar g thì cộng thêm áp khí quyển khoảng 1,013 bar). T là nhiệt độ tuyệt đối K, bằng °C cộng 273,15. Dùng áp suất đọc từ đồng hồ mà quên cộng khí quyển là lỗi gây sai lệch lớn nhất.
Ví dụ: máy nén cấp 120 Nm³/h, áp suất đường ống 7 bar g (8,013 bar tuyệt đối), nhiệt độ khí 30 °C (303,15 K). Lưu lượng thực là V = 120 × (1,01325 / 8,013) × (303,15 / 273,15) ≈ 16,8 m³/h. Thể tích thực nhỏ hơn hẳn vì khí bị nén; đây là con số cần dùng khi chọn cỡ ống, còn Nm³/h dùng để so sánh công suất máy nén.
Đổi giữa Nm³ và Sm³ cũng làm bằng tỉ lệ nhiệt độ: 1 Nm³ tương đương khoảng 1,055 Sm³ nếu Sm³ tính ở 15 °C (288,15/273,15), hoặc khoảng 1,073 Sm³ nếu tính ở 20 °C. Hướng dẫn chi tiết cho khí nén, kèm ví dụ về công suất máy nén, có trong bài cách tính lưu lượng khí nén.
Công thức Q = v × A: từ đơn vị đo lưu lượng đến chọn cỡ ống
Muốn chọn cỡ ống cho một lưu lượng cho trước, dùng Q = v × A, với A = π·d²/4. Đổi Q về m³/s, chọn vận tốc mục tiêu v rồi tính ngược ra đường kính trong d. Vận tốc nước khuyến nghị khoảng 1–2,5 m/s cho đường hút và đường đẩy (tham khảo; đường hút nên chọn ở phía thấp, đường đẩy ở phía cao hơn).
Sau khi đổi đơn vị đo lưu lượng sang m³/s, cần so vận tốc với khoảng trên: vận tốc thấp hơn 1 m/s dễ làm cặn lắng; vận tốc cao hơn 2,5–3 m/s làm tổn thất áp suất tăng mạnh (tỉ lệ gần với bình phương vận tốc), gây ồn và dễ xảy ra búa nước khi đóng van nhanh.
Ví dụ: 20 m³/h = 0,005 56 m³/s. Ống DN50 thép Sch 40 (đường kính ngoài 60,3 mm, thành 3,91 mm) có đường kính trong khoảng 52,5 mm, A ≈ 0,002 165 m², vận tốc v = 0,005 56 / 0,002 165 ≈ 2,57 m/s, nằm ở mức trên của khoảng khuyến nghị, chấp nhận được cho đường đẩy ngắn. Nếu là đường hút, nên chọn DN65 Sch 40 (đường kính ngoài 73,0 mm, thành 5,16 mm, đường kính trong khoảng 62,7 mm), vận tốc còn khoảng 1,8 m/s.
Lưu ý diện tích phải lấy theo đường kính trong, không phải kích thước danh nghĩa DN hay đường kính ngoài, vì đường kính trong thay đổi theo vật liệu và độ dày thành ống. Xem thêm bảng quy đổi DN sang phi để biết đường kính ngoài và trong của từng loại ống.
Hệ số lưu lượng Kv và Cv so với đơn vị đo lưu lượng
Kv và Cv không phải đơn vị đo lưu lượng thực sự mà là hệ số mô tả khả năng cho dòng chảy qua của van. Kv là lưu lượng nước (m³/h) đi qua van khi chênh áp 1 bar ở nhiệt độ 5–30 °C. Cv là lưu lượng nước (US GPM) ở 60 °F (khoảng 15,6 °C) đi qua van khi chênh áp 1 psi. Quan hệ giữa hai hệ số: Cv = 1,156 × Kv.
Với chất lỏng, công thức thông dụng là Q = Kv × √(ΔP / SG), trong đó Q tính bằng m³/h, ΔP tính bằng bar và SG là tỉ trọng của chất lỏng so với nước. Ví dụ: van Kv = 40, chênh áp 0,5 bar, nước (SG = 1) cho Q = 40 × √0,5 ≈ 28,3 m³/h. Nếu cần lưu lượng gấp đôi ở cùng chênh áp, phải chọn van có Kv gấp đôi.
ΔP trong công thức là tổn thất áp suất qua van tính bằng bar, tức là hiệu áp suất trước và sau van chứ không phải áp suất làm việc của đường ống. Công thức này áp dụng cho chất lỏng không bay hơi; với khí và hơi, cần các hệ số hiệu chỉnh về giãn nở, và khi ΔP đủ lớn dòng sẽ bị nghẹt, lưu lượng không tăng thêm nữa.
Giá trị Kv/Cv thay đổi theo kích cỡ, kiểu van và độ mở, nên lấy theo catalogue của hãng. Với van bướm, dữ liệu theo từng góc mở được trình bày trong bài hệ số lưu lượng Cv của van bướm.
Bảng quy đổi đơn vị đo lưu lượng
Bảng quy đổi đơn vị đo lưu lượng dưới đây đổi từ 1 m³/h sang các đơn vị còn lại, tính theo hằng số chuẩn.
| Đơn vị | Giá trị tương đương 1 m³/h |
|---|---|
| m³/s | 2,778 × 10⁻⁴ |
| L/s | 0,2778 |
| L/min | 16,667 |
| L/h | 1 000 |
| m³/ngày | 24 |
| US GPM | 4,403 |
| UK GPM | 3,666 |
| CFM (ft³/min) | 0,5886 |
Chiều ngược lại, để đưa mọi đơn vị đo lưu lượng về m³/h, nhân với các hệ số sau:
| Đơn vị gốc | Nhân với | Ra m³/h |
|---|---|---|
| 1 L/min | 0,06 | 0,06 |
| 1 L/s | 3,6 | 3,6 |
| 1 US GPM | 0,2271 | 0,2271 |
| 1 UK GPM | 0,2728 | 0,2728 |
| 1 CFM | 1,699 | 1,699 |
| 1 m³/ngày | 0,041 67 | 0,041 67 |
Với khí, hai bảng trên chỉ đúng khi cả hai bên cùng điều kiện áp suất, nhiệt độ. Khi đổi giữa Nm³/h và m³/h thực, phải dùng công thức ở mục lưu lượng khí. Hệ số Kv sang Cv xem ở mục trước.
Thiết bị đo lưu lượng và đơn vị đo lưu lượng hiển thị
Mỗi loại đồng hồ đo lưu lượng hiển thị theo đơn vị đo lưu lượng riêng, có thể là m³/h, L/min hoặc kg/h, nên chọn thiết bị xong cần cài đúng đơn vị và kiểm tra lại điều kiện áp suất, nhiệt độ nếu đo khí. Dưới đây là các nhóm thường gặp.
Đồng hồ điện từ đo lưu lượng nước
Hoạt động theo định luật Faraday: chất lỏng dẫn điện chuyển động trong từ trường sinh ra điện áp tỉ lệ với vận tốc. Vì không có bộ phận cản dòng nên sụt áp gần như bằng không. Chỉ dùng được với chất lỏng có độ dẫn điện tối thiểu, thường khoảng 5 µS/cm; với nước khử khoáng nhiều hãng yêu cầu từ 20 µS/cm (tham khảo catalogue hãng). Vì vậy đồng hồ điện từ không đo được nước siêu tinh khiết, dầu hay khí.
Đồng hồ siêu âm
Đo chênh lệch thời gian truyền sóng siêu âm thuận và ngược chiều dòng chảy (phương pháp transit-time). Loại kẹp ngoài lắp mà không cần cắt ống, tiện cho việc kiểm tra tạm thời hoặc đường ống không được dừng. Độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng thành ống, đoạn ống thẳng và việc không có bọt khí trong dòng chảy.
Đồng hồ Vortex
Dựa trên hiện tượng xoáy Karman: vật cản trong dòng chảy tạo các xoáy với tần số tỉ lệ với vận tốc. Vortex phù hợp với hơi nước, khí và chất lỏng sạch ở nhiệt độ cao vì cảm biến chịu nhiệt tốt, nhưng cần Reynolds đủ lớn nên không chính xác ở lưu lượng rất thấp.
Đồng hồ cơ (turbine, cánh quạt)
Dòng chảy làm quay cánh, số vòng quay tỉ lệ với thể tích chảy qua. Cấu tạo đơn giản, giá thấp, không cần nguồn điện, phù hợp công tơ nước sinh hoạt hay đo dầu sạch. Nhược điểm là các bộ phận chuyển động mòn theo thời gian và nhạy với cặn bẩn trong nước.
Rotameter (lưu lượng kế phao)
Phao nổi trong ống côn, lưu lượng càng lớn phao càng lên cao và đọc trực tiếp trên thang chia. Không cần nguồn điện, dùng nhiều cho lưu lượng nhỏ, đo khí hoặc nước trong phòng thí nghiệm và hệ thống dosing. Phải lắp thẳng đứng và kết quả hiệu chuẩn cho một chất lưu cụ thể.
Khi chọn cho nước sạch, cần cân nhắc cỡ ống, dải đo, áp suất làm việc và độ chính xác yêu cầu; danh sách đầy đủ có trong tiêu chí chọn đồng hồ lưu lượng nước. Tổng quan về phương pháp đo có thể tham khảo thêm tại Flow measurement (Wikipedia).
Tư vấn chọn thiết bị theo lưu lượng
Khi cần chọn van, bơm hay đồng hồ, hãy cung cấp lưu chất, lưu lượng min/max kèm đơn vị đo lưu lượng rõ ràng, áp suất, nhiệt độ và kích thước ống. Viva hỗ trợ kiểm tra thông số, quy đổi đơn vị và đề xuất thiết bị phù hợp trước khi đặt hàng. Quý khách có thể trao đổi trực tiếp tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về đơn vị đo lưu lượng
Đơn vị đo lưu lượng chuẩn quốc tế là gì?
Đơn vị đo lưu lượng thể tích theo hệ SI là m³/s, còn lưu lượng khối lượng là kg/s. Trong thực tế công nghiệp, m³/h và L/min được dùng nhiều hơn vì giá trị gọn và dễ đọc trên catalogue bơm, van, đồng hồ. Đổi nhanh: 1 m³/h = 16,667 L/min = 0,2778 L/s.
1 m³/h bằng bao nhiêu lít/phút và GPM?
1 m³/h bằng 16,667 L/min, vì 1 m³ = 1000 L và 1 giờ = 60 phút. Với gallon Mỹ, 1 m³/h bằng 4,403 US GPM, hay ngược lại 1 US GPM bằng 0,2271 m³/h. Nếu catalogue ghi UK GPM thì hệ số là 3,666 GPM cho mỗi m³/h.
Nm³/h khác m³/h ở điểm nào?
m³/h là thể tích thực tại áp suất và nhiệt độ đang vận hành, còn Nm³/h là thể tích đã quy về điều kiện chuẩn (thường 0 °C, 1,01325 bar tuyệt đối). Một lượng khí giữ nguyên số phân tử nhưng thể tích thực thay đổi khi nén hoặc gia nhiệt, nên với khí phải dùng Nm³/h để so sánh.
Cách đổi đơn vị đo lưu lượng giữa GPM và L/min?
Nhân số US GPM với 3,785 để ra L/min, hoặc chia L/min cho 3,785 để ra US GPM. Ví dụ 50 US GPM xấp xỉ 189 L/min. Nếu là UK GPM thì dùng hệ số 4,546. Nên xác nhận hãng dùng gallon Mỹ hay Anh trước khi đổi.
Kv và Cv của van khác nhau như thế nào?
Kv là số m³/h nước (5–30 °C) qua van ở chênh áp 1 bar, Cv là số US GPM nước 60 °F qua van ở chênh áp 1 psi. Hai hệ số liên hệ bằng Cv = 1,156 × Kv. Cả hai dùng để chọn cỡ van; số liệu của từng loại van lấy theo catalogue hãng.
