Автор:Дж. Шерклиф
Источник: Дж. Шерклиф Теория электромагнитного измерения расхода
– М.: Мир, 1965. – 268 с
Основным требованием, предъявляемым к электромагнитным расходомерам, является линейная зависимость выходного сигнала (индуцированной разности потенциалов) от средней скорости или объемного расхода жидкости. Насколько это требование выполняется в действительности, будет выяснено в разд. 5.1.1. Линейная характеристика (будем считать, что она имеет место) дает электромагнитным расходомерам весьма значительные преимущества перед большинством других измерительных устройств. Линейность тарировочной кривой позволяет однозначно в отличие от трубки Вентури определять направление потока; кроме того, усредненный сигнал расходомера в пульсирующем течении непосредственно соответствует среднему расходу.
Коэффициент пропорциональности между сигналом и объемным расходом жидкости при выбранной схеме и заданных размерах расходомера зависят только от напряженности приложенного магнитного поля. Этот коэффициент, по крайней мере, при непроводящих стенках трубы, не зависит ни от каких свойств жидкости. Поэтому тарировочная кривая, полученная для одной среды, может, без сомнения, быть использовала и для других сред. В противоположность этому интерпретация показаний мерных шайб требует знания плотности жидкости. Кроме того, их показания незначительно зависят также от вязкости (или числа Re).
Другое важное преимущество электромагнитных расходомеров состоит в том, что принцип их работы и регистрация сигнала являются электрическими. Их можно без дополнительных преобразователей подсоединить к электрическим системам, предназначенным для измерений и автоматического регулирования. По этой же причине электромагнитные расходомеры применимы для дистанционной регистрации сигнала (хотя в случае плохой проводимости жидкости длина проводников, соединяющих расходомер с измерительным устройством, должна быть ограничена).
Вследствие того, что электрические измерения могут быть проведены с высокой точностью, при соответствующей конструкции и надлежащем режиме работы расходомера можно добиться, чтобы тарировочная кривая была линейной и в течение длительного времени воспроизводимой с точностью ± 25%; более привычная точность порядка 1% в большинстве случаев достигается без труда. Даже при неблагоприятных условиях работы (когда в потоке имеются примеси, велико контактное сопротивление и заметны другие эффекты, не поддающиеся точному учету) точность измерений оказывается не ниже ± 5%. Подобные условия реализуются для жидкого натрия низкой чистоты.
Электромагнитные расходомеры, поскольку в их основе лежат электрические явления, малоинерционны и позволяют изучать неустановившиеся течения даже при весьма высоких частотах изменения скорости. При соответствующей электрической измерительной аппаратуре чувствительность расходомера по отношению к высокочастотным колебаниям ограничена только самоиндукцией жидкости (скин-эффектом), если среда является жидким металлом, или частотой тока возбуждения магнита, когда используется переменное магнитное поле, что, вероятно, желательно в случае неметаллических жидкостей. Арнольд [1.1] сообщает об использовании переменных полей с частотой 5000 Гц, которые позволили обнаружить переходные процессы с частотами вплоть до 1000 Гц. Так как принцип измерений основан на немеханических явлениях, то не возникает погрешностей, связанных с напором ускорения, которые свойственны большинству обычных расходомеров, когда их применяют для измерений в неустановившихся течениях. Таким образом, электромагнитные расходомеры можно с равным успехом использовать в таких объектах, как снаряды и космические аппараты, движущиеся с очень большими перегрузками.
Большинство электромагнитных расходомеров имеет каналы, обеспечивающие беспрепятственное течение жидкости. Фактически каждая труба может быть превращена в расходомер путем установки внешних электродов и соответствующей магнитной системы, если стенки трубы и жидкость являются хорошими проводниками. Если среда не является жидким металлом, то потери давления, обусловленные расходомером, не отличаются от потерь в обычном трубопроводе эквивалентной длины. Беспрепятственное течение жидкости особенно благоприятствует измерению расхода таких сред, как кровь или неустойчивые химические соединения (когда дополнительное воздействие на жидкость или на окружающие ее стенки может вызвать нежелательные изменения самой жидкости), или сред, содержащих крупные твердые частицы, которые могут закупорить ротаметры или мерные шайбы.
В электромагнитных расходомерах отсутствуют дренажные или другие отверстия, в которых могло бы накопиться твердое вещество, что привело бы к дополнительным трудностям, связанным с очисткой. Это особенно важно в контурах с жидким натрием, где в некоторых местах время от времени может происходить затвердевание металла. Электромагнитные расходомеры можно успешно использовать применительно к различным суспензиям и взвесям – от сточных вод до крови, а также когда жидкость обладает резко выраженными неньютоновскими свойствами. В расходомерах круглого сечения с поперечным магнитным полем концентрическое отложение твердой фазы на стенках не оказывает влияния па показания прибора, если только твердое вещество и жидкость имеют одинаковую электропроводность. Расходомер дает возможность полный объемный расход движущейся взвеси, содержащей непроводящие твердые частицы при условии, что они не очень велики. В связи с отсутствием движущихся или конструктивно сложных узлов расходомеры не требуют постоянного ухода, что особенно важно в системах с радиоактивной зоной.
Использование электромагнитных расходомеров наиболее оправдано, когда при обращении с рабочий жидкостью следует соблюдать особые меры предосторожности. Они необходимы, если надо предотвратить загрязнение жидкости (крови, лекарственных и питательных веществ) или требуется герметизация жидкости из-за ее токсичности, химической активности, воспламеняемости, коррозионных свойств (в случае радиоактивных растворов, жидких охладителей для ядерных реакторов, окислителей в ракетах) или если рабочая среда имеет высокую температуру. Электромагнитные расходомеры были использованы для измерения расхода жидкостей с температурой примерно до 80? С. При этом единственная предосторожность состояла в том, чтобы магнит был достаточно холодным, и тем самым напряженность магнитного поля поддерживалась па известном уровне. При необходимости поле может создаваться обмотками возбуждения без сердечника.
В некоторых случаях электромагнитные расходомеры вообще оказываются вне конкуренции. Вероятно, наиболее яркий пример их использования – измерение мгновенных скоростей крови во внутренних артериях животных без нарушения их жизнедеятельности.
Большинство расходомеров весьма чувствительно к возмущениям, возникающим выше по потоку, и для их подавления перед прибором обычно должен быть прямолинейный участок по возможности минимальной длины. Электромагнитные расходомеры в этом отношении наименее требовательны; ценой некоторых усложнений могут быть созданы приборы, показания которых полностью не зависят от условий выше по потоку. Вопрос о том, чем определяется выбор минимально допустимого (для упрощения конструкции) участка перед расходомером, до некоторой степени дискуссионный; однако на практике эта длина, вероятно, никогда не превосходит нескольких диаметров. Это означает, что расходомеры редко нуждаются в проведении тарировки на месте.
После этого «похвального слова» электромагнитным расходомерам у читателя может возникнуть недоуменный вопрос: почему до сих пор все еще используются расходомеры другого типа? Фактически конкурирующие типы обычных расходомеров удовлетворяют и еще долго будут удовлетворять основным требованиям рынка. Причина этого – отчасти консерватизм и недоверие к «черному ящику» среди потребителей, но имеются и многие другие, более законные основания. Несомненно, главное из них – высокая стоимость. Электромагнитные расходомеры – приборы более высокого класса, обеспечивающие большую точность, чем часто требуется при их промышленном использовании; поэтому часто отдается предпочтение более простым и грубым мерным шайбам, трубкам Вентури и ротаметрам, особенно ввиду высокой стоимости предлагаемых на рынке расходомеров переменного тока вместе с их электронным оборудованием. Следует отметить, что изготовление и эксплуатация расходомеров постоянного тока обходятся намного дешевле. Единственный дорогостоящий элемент такого прибора – постоянный магнит. Однако такие расходомеры в действительности применимы только для жидких металлов.
Помимо высокой стоимости, недостатком широко используемых на практике электромагнитных расходомеров является невозможность точного предварительного определения тарировочной кривой. Поэтому возникает необходимость в эмпирической тарировке, которую, впрочем, легко провести, так как тарировочная кривая линейна и не зависит от рода жидкости (если стенки трубы непроводящие). Невозможность предварительного определения тарировочной кривой объясняется тем, что в целях удешевления большинство расходомеров имеет магниты с малой протяженностью полюсов в направлении движения, и это приводит к сильному концевому эффекту. Как показано в § 2.3, величину концевого эффекта легко рассчитать, но нельзя точно предсказать заранее. Проблема создания расходомеров с известными заранее линейными характеристиками обсуждается в разд. 5.2.3. Если бы удалось стандартизовать конструкции расходомеров, то соответствующие тарировочные кривые имели бы общий характер, и необходимость эмпирической тарировки для каждого нового прибора была бы исключена.
Электромагнитные расходомеры имеют и другие недостатки. Как правило, они не могут использоваться, если стенки трубы изготовлены из мягкой стали или других ферромагнитных материалов, экранирующих жидкость от поля. В этом случае в стальной трубопровод должна быть вставлена секция из немагнитного материала. Если в потоке имеются примеси, содержащие железо, то возможно их накопление о области магнитного поля, что постепенно приводит к частичному или полному блокированию расходомера.
Электромагнитные расходомеры не могут применяться для измерения расхода неионизированных газов.