Электромагнитные расходомеры

Авторы:Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г.

Источник: Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара: Учебное пособие для техникумов. – М.: Издательство стандартов, 1990. – 287 с.

Принцип действия. Уравнение измерений

В проводнике, пересекающем силовые линии поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля.

Это известный закон электромагнитной индукции – закон Фарадея.

Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнит­ного расходомера, предложенную ещё самим Фарадеем.

Индуцируемую разность потенциалов Е на электродах 3 определяют по уравнению электромагнитной индукции

где В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; v_cp – средняя скорость потока жидкости; D – внутренний диаметр трубопровода; К – коэффициент, зависящий от вида магнитного поля.

Для случая постоянного магнитного поля К = 1. Если же магнитное поле изменяется во времени t с частотой f, то K = sin2πft

Магнитное поле создается источником питания 6 магнита (см. рис.1). ЭДС, снимаемую с электродов, при помощи электронного усилителя 4 преобразуют в усиленный электрический сигнал, регистрируемый отсчетной системой 5.

– для случая постоянного магнитного поля

E = – (4B / πD)× Q,

– для случая переменного магнитного поля

E = – (4B×sinπft / πD)•Q

Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть выпол­нены как с постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми переменным током частотой f. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Метрологические характеристики и область применения электромагнитных расходомеров

Погрешность данных приборов определяется в основном погрешностями их градуировки (определения постоянной величины C = 4KB / πD) и измерения разности потенциалов Е. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие, не позволяют пока по­лучить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров. Так, изготовливаемые в СССР электромагнитные расходомеры, несмотря на индивидуальную градуировку (на высокоточных расходомерных стендах) и весьма совершенные средства измерения Е, имели класс точности 1,0–2,5 %.

Существенным и основным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным электромагнитом, ограничивающим их применение для измерения слабопульсирующих потоков, является поляризация измерительных электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из специальных материалов (угольные, каломелиевые) или специальные покрытия для электродов (платиновые, танталовые).

В расходомерах с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует, однако появляются другие эффекты, также искажающие полезный сигнал.

Во-первых, это трансформаторный эффект, когда на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторные помехи могут достигать 20–30 % полезного сигнала. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят специальные дополнительные устройства.

Во-вторых, имеет место ёмкостный эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкости между ними (соединительные провода и т. п.). Средством борьбы с этим эффектом является тщательная экранировка.

В-третьих, может иметь место эффект влияния изменения частоты питающего систему возбуждения магнитного поля тока. Компенсируют этот эффект установкой специальных стабилизирующих устройств, что усложняет измерительные схемы и уменьшает надёжность приборов.

Тем не менее электромагнитные расходомеры широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строительстве и руднообогатительном производстве, в медицине, так как они малоинерционны по сравнению с расходомерами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро меняющихся расходов.

Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода (электроды устанавливаются заподлицо со стенкой трубопровода), сужений или изменений профиля. Благодаря этому гидравлические потери на приборе минимальны. Кроме того, преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Поэтому эти расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленности, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и коагулирование измеряемого продукта.

На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, осесимметричное (а в каналах специальной формы любое) изменение профиля распределения скоростей потока, а также физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.), если они не изменяют её электропроводность.

Электромагнитные расходомеры можно монтировать в любом положении на расстояниях, равных не менее 20 диаметров трубопровода после местных сопротивлений, нарушающих осесимметричное течение среды, и не менее восьми диаметров до местных сопротивлений.

Конструкция первичных преобразователей позволяет применять новейшие изоляционные, антикоррозийные и другие покрытия, что даёт возможность измерять расход агрессивных и абразивных сред.

Отмеченные преимущества и обеспечили достаточно широкое распространение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную конструктивную сложность и необходимость тщательного каждодневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройка и т.п.).

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3 • 10-9 м3/с) расходов (например, для измерения расхода кро­ви по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м3/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 10:1, т. е. достаточно велик.

Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхо­да газов, а также жидкостей с электропроводностью менее 10-3 – 10-5 сим/м (10-5 – 10-7 Ом-1•см-1), например, лёгких нефтепродуктов, спиртов и т. п. Применение разрабатываемых в настоящее время специ­альных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электро­магнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.