17-3. Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные (индукционные) расходомеры применяют для измерения в трубопроводах объемного расхода электропроводных жидкостей, растворов и пульп с мелкодисперсными неферромагнитными частицами. Удельная электрическая проводимость измеряемой среды должна находиться в пределах от до . Следует отметить, что некоторые разновидности электромагнитных расходомеров находят применение для измерения расхода жидкого металлического теплоносителя, например натрия.

Рис. 17-3-1. Схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитным полем.

Принцип действия рассматриваемых расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому наведенная в проводнике э. д. с. пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Роль движущегося в магнитном поле проводника играет электропроводная жидкость, протекающая через первичный электромагнитный преобразователь расхода, установленный в трубопроводе. Измеряя э. д. с., наведенную в электропроводной жидкости, которая при своем движении пересекает магнитное поле первичного преобразователя, можно определить среднюю скорость текущей жидкости, а вместе с тем и объемный расход.

Измерение расхода жидкости электромагнитным методом может быть осуществлено как при постоянном возбуждающем магнитном поле, так и при переменном поле первичного преобразователя расхода. Указанные способы создания магнитного поля имеют свои положительные и отрицательные стороны, рассматриваемые ниже.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитным полем изображена на рис. 17-3-1. Прибор состоит из первичного электромагнитного преобразователя расхода ПЭПР, электронного измерительного усилителя и вторичного измерительного прибора Корпус преобразователя расхода представляет собой отрезок трубы 1 из немагнитного материала с двумя фланцами (на рис. 17-3-1 фланцы не показаны) для присоединения его к фланцам трубопровода. На внешней стороне корпуса преобразователя установлен постоянный магнит магнитные силовые линии которого перпендикулярны вектору скорости движения жидкости. Для съема выходной э. д. с.

преобразователя расхода служат электроды 2 и 3, проходящие через стенку трубы 1.

Электрическая проводимость материала трубы должна быть значительно меньше проводимости жидкости, так как в противном случае возможно шунтирование стенкой трубы выходной э. д. с. Если позволяют условия применения преобразователя расхода, то трубу целесообразно изготовлять из изоляционного материала. При необходимости труба может быть изготовлена из немагнитного металла, например из немагнитной нержавеющей стали с большим удельным сопротивлением. В этом случае внутренняя поверхность металлической трубы изолируется от жидкости специальным изоляционным материалом. Электроды для съема выходной э. д. с. также должны быть электрически изолированы от металлической трубы.

При протекании электропроводной жидкости через преобразователь расхода направление наводимой э. д. с. Е можно определить по правилу правой руки.

Если вектор скорости движения жидкости перпендикулярен к направлению магнитного поля, то выходная э. д. с. преобразователя расхода с электродами 2 и 3 (рис. 17-3-1), диаметрально расположенными на контуре поперечного сечения потока в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, определяется выражением, аналогичным уравнению для прямолинейного проводника:

где — выходная средняя скорость движения жидкости, внутренний диаметр трубы (расстояние между электродами), В—магнитная индукция,

Выражая в уравнении (17-3-1) скорость через объемный расход получаем:

Это выражение показывает, что значение выходной э. д. с. прямо пропорционально значению объемного расхода.

Преимуществом преобразователей расхода с постоянным магнитным полем является то, что значительно облегчается борьба с помехами от внешних переменных электромагнитных полей. К числу достоинств следует также отнести отсутствие необходимости в источнике питания преобразователя расхода, безопасность работы его и ряд других факторов. Следует также иметь в виду, что преобразователи расхода с постоянным магнитным полем обладают значительно большим быстродействием, чем преобразователи расхода с переменным магнитным полем. У преобразователей последнего типа быстродействие ограничивается частотой поля.

Основным недостатком первичных преобразователей расхода с постоянным магнйтным полем является поляризация электродов.

Явление поляризации характеризуется возникновением двойного слоя зарядов на границе электрод — жидкость. По мере накопления этих зарядов возникает э. д. с., направленная против основной измеряемой выходной э. д. с. Е.

Возникновение двойного электрического слоя, а следовательно, и противоэлектродвижущих сил приводит к нарушению градуировки прибора и делает невозможным его стабильную работу в течение даже короткого времени. Применение в преобразователях расхода неполяризующих электродов (платиновых, графитовых, каломельных и др.) уменьшает эффект поляризации, но не устраняет его полностью.

Другим недостатком преобразователя расхода с постоянным магнитным полем является трудность усиления напряжения постоянного тока, особенно при большом внутреннем сопротивлении преобразователя.

Рис. 17-3-2. Схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем.

Расходомеры с постоянным магнитным полем, как показала практика, являются больше объектами опытно-исследовательской работы, чем средствами измерений промышленного типа. Основным препятствием для внедрения этих расходомеров в широкую практику является трудность борьбы с влиянием электрохимических процессов. Первичные преобразователи расхода с постоянным магнитным полем, разработанные для измерения расходарасплавленного натрия и переменного во времени расхода жидкости, не получили широкого промышленного применения.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем показана на рис. 17-3-2. На схеме приняты следующие обозначения: ПЭПР - первичный электромагнитный преобразователь расхода с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом 4; промежуточный измерительный усилитель-преобразователь с унифицированным выходным сигналом постоянного тока сопротивление внешней нагрузки (например, вторичный прибор, интегратор, входное устройство информационно-вычислительной машины и линия связи). Требования, предъявляемые к материалам для изготовления трубы 1 и электродов 2 и 3 преобразователя расхода с переменным магнитным полем, аналогичны перечисленным при рассмотрении прибора, показанного на рис. 17-3-1. Длину трубы 1 выбирают в зависимости от ее диаметра с таким расчетом, чтобы обеспечить симметричность профиля скоростей потока относительно оси трубы преобразователя расхода. Трубу пребразователей расхода, выпускаемых серийно, изготовляют из нержавеющей стали или а электроды — из нержавеющей стали Для изоляции

внутренне поверхности трубы применяют полиуретановый каучук резину фторопласт и кислостойкую эмаль и другие изоляционные материалы.

При выполнении электромагнита преобразователя расхода важно обеспечить однородность магнитного поля в осевом и поперечном направлениях. Неоднородность поля приводит к тому, что в жидкости (неподвижной и движущейся) возникают местные циркуляционные токи, размер которых определяется напряженностью поля в данной точке и в жидкости появляются разностные напряжения, искажающие измерения. Кроме того, при переходе от ламинарного потока течения жидкости к турбулентному появляется некоторая разность напряжений, приводящая к нелинейной зависимости между выходным сигналом и измеряемым расходом.

Рис. 17-3-3. Эквивалентная схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем. преобразователя расхода; — соответственно внутренние активное сопротивление и емкость преобразователя расхода; емкость поляризации; входное сопротивление усилителя-преобразователя; емкость линии связи; напряжение на входе усилителя преобразователя.

Для промышленных электромагнитных расходомеров допускается неоднородность поля 1—5% в зависимости от класса точности прибора.

Магнитная индукция для преобразователя расхода с переменным магнитным полем имеет значение

В этом случае выражение (17-3-1) принимает вид:

или с учетом уравнения (17-3-2)

Следует отметить, что эффект поляризации электродов оказывает вредное воздействие на полезный сигнал преобразователя расхода и при переменном магнитном поле, но в значительно меньшей степени, чем при постоянном. Поляризация приводит к образованию на поверхности электродов двойного слоя зарядов и нарастанию э. д. с. поляризации, что проявляется как некоторая емкость со значением в несколько десятков микрофарад, включенная последовательно в цепь преобразователя расхода (рис. 17-3-3). Влияние поляризации электродов на точность измерения с возрастанием частоты поля уменьшается. Вредное влияние поляризации электродов на полезный сигнал уменьшается также с ростом значения входного сопротивления усилителя-преобразователя [59].

Зависимость между напряжением на входе усилителя-преобразователя снимаемой с электродов преобразователя расхода, имеет вид:

где входное сопротивление усилителя-преобразователя; — внутреннее сопротивление преобразователя расхода согласно формуле (обозначения соответствуют принятым на рис. 17-3-3)

Для обеспечения надлежащей точности измерения, а вместе с тем сведения к минимуму влияния поляризации электродов увеличивают частоту поля и повышают входное сопротивление усилителя-преобразователя по сравнению со значением Для достижения независимости показаний прибора от свойств и параметров измеряемой жидкости (ее химического свойства, вязкости, температуры, плотности и т. д.) необходимо, чтобы отношение было минимальным. Если влияние изменения внутреннего сопротивления преобразователя расхода минимально.

Основным недостатком расходомеров с переменным магнитным полем является высокая чувствительность к помехам от переменных электромагнитных полей. Эти помехи можно разделить на следующие три группы: помехи от внешних электромагнитных полей; емкостные помехи от сети переменного тока, питающего электромагнит преобразователя расхода; индукционные помехи от электромагнита преобразователя расхода.

Для защиты от внешних электромагнитных полей применяют экранирование основных элементов преобразователя расхода и некоторых узлов измерительного блока.

Для борьбы с емкостными помехами уменьшают индуктивность катушки электромагнита преобразователя расхода. Кроме того, применяют разделительный трансформатор для питания электромагнита преобразователей расхода.

Рассмотрим причины образования помехи от электромагнита преобразователя расхода, а также способы, применяемые для компенсации ее. В замкнутом контуре «электрод — жидкость — электрод — вход измерительного усилителя — электрод», как в витке трансформатора, наводится переменным магнитным полем преобразователя расхода помеха, называемая трансформаторной независимо от того, движется жидкость в трубе преобразователя расхода или находится в покое. Значение трансформаторной э. д. с. равно:

где k — коэффициент, имеющий постоянное значение.

1 аким образом, на входе усилителя-преобразователя будут действовать напряжение полезного сигнала и напряжение помехи

Из приведённых выражений видно, что напряжение помехи сдвинуто на 90° относительно фазы сигнала Кроме того, напряжение помехи пропорционально частоте магнитного поля в то время как полезный сигнал от частоты не зависит. Значение можно уменьшить за счет уменьшения частоты для определенного предела и площади контура, образованного проводниками, соединяющими электроды с усилителем-преобразователем и находящимися в магнитном поле преобразователя расхода. Питание электромагнитных расходомеров, выпускаемых серийно, осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

Для компенсации трансформаторной э. д. с. выводы от одного из электродов монтируются симметрично расположенными проводами, замкнутыми на низкоомный регулирующий резистор (рис. 17-3-2). Сигнал, получаемый от преобразователя расхода, снимается с движка резистора и другого электрода. При настройке расходомера (когда преобразователь расхода заполнен жидкостью и она неподвижна) изменением положения движка резистора выбирается точка, потенциал которой равен потенциалу второго электрода. Выходной сигнал преобразователя расхода подается на вход измерительного усилителя-преобразователя по экранированному кабелю.

Таллинский приборостроительный завод серийно выпускает электромагнитные (индукционные) расходомеры типа выполняемые по схеме рис. 17-3-2, с диаметрами условных проходов от 10 до 300 мм. Эти приборы зависимости от типа покрытия внутренней поверхности трубы преобразователя расхода могут быть использованы для измерения различных электропроводных жидкостей (абразивных, пульп, кислот и т. д.), имеющих температуру от —40 до +150°С. Выпускаемые расходомеры типа рассчитаны на максимальное рабочее избыточное давление до

Пределы допускаемой основной погрешности расходомеров типа при измерении по выходному току не превышают ±1,5% верхнего предела измерений.

Питание комплекта расходомера типа осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц при напряжении 220 В.

Необходимые сведения об установке первичного преобразователя расхода и усилителя-преобразователя (измерительного блока) приводятся в инструкции завода-изготовителя. В качестве вторичных приборов могут быть использованы рассмотренные выше автоматические миллиамперметры и другие приборы. Для суммирования объемного расхода жидкости может быть использован интегратор типа