«Повышение
точности измерений зондовым электромагнитным преобразователем скорости потока
для учета расхода электропроводящей жидкости в трубопроводах большого диаметра»
Горбылев Всеволод Валерьевич
Донецкий национальный технический университет, Украина
Abstract. Gorbylev V.V. “Raise of an exactitude of gaugings probe of electromagnetic transformer of a flow rate for the registration of expenditure еlectroconductive fluids in tubings of a large diameter”
In article the brief review most frequently used flowmeters is made, their lacks are specified.
Advantages of electromagnetic flowmeters are marked, the electromagnetic converter for the account of the charge liquids advantages of use are specified in pipelines of the big diameter, in comparison with traditional electromagnetic flowmeters. Measures for increase of accuracy of measurement are offered by the electromagnetic converter. On the basis of mathematical expression the choice of optimum parameters of the coil of excitation is made.
В последние годы на Украине наметилась тенденция к повышению количества объектов промышленного и сельскохозяйственного производства, что ведет к повышению потребления воды. Запасы пресной
воды на Украине не столь велики и значимость их сохранения растет. Решение задачи сбережения
водных ресурсов, в настоящее время, немыслимо без создания и развития крупных водных систем, что в свою очередь ставит задачу создания информационно- измерительных систем, которые бы обеспечили рациональное и гарантированное обеспечение водой потребителей. Создание таких систем требует большого количества надежных, дешевых, простых и удобных в эксплуатации средств измерительной техники (СИТ) с высокими метрологическими характеристиками, в частности, расходомеров воды для труб среднего и большого диаметров.
В настоящее время наиболее часто используются следующие преобразователи расхода: ультразвуковые, механические, приборы с перепадом давления в сужающем устройстве и электромагнитные расходомеры (ЭМР).
Механические расходомеры и счетчики имеют обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Измеряя скорость движения подвижного элемента, получают расходомер, а измеряя общее число оборотов его – счетчик количества прошедшей жидкости. Основной недостаток механических расходомеров – изнашивание опор, поэтому они непригодны для веществ содержащих механические примеси, соли. Изменение пространственной ориентации также влияет на условия работы подшипников и оказывает влияние на градуировочную зависимость, особенно при малых расходах. Еще один недостаток - механический расходомер представляет собой местное сопротивление в системе водоснабжения.
Ультразвуковые расходомеры основаны на измерении зависящего от расхода того или иного эффекта, возникающего при прохождении акустических колебаний через поток жидкости. Преимущественое распространение получили приборы, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Среди недостатков ультразвуковых расходомеров можно выделить необходимость компенсации показаний при изменении вязкости, температуры и давлении рабочей среды, сложность монтажа и демонтажа, высокие требования к прямым участкам без гидравлических сопротивлений и профилю потока, возможность нарушения работоспособности при отложениях осадков на пассивных отражателях (внутренней поверхности трубопровода) и необходимостью, вследствие этого, специальной обработки внутренней поверхности трубопровода в месте монтажа датчиков. Кроме того значительное влияние на результаты измерений оказывают паразитые акустические сигналы.
Измерение расхода методом переменного перепада давления в сужающем устройстве основано на зависимости перепада давления, установленным в трубопроводе неподвижным сужающим устройством, от расхода жидкости. Эти расходомеры обладают рядом принципиально неустранимых недостатков, среди которых основные: необходимость трудоемкого демонтажа для проведения периодической поверки, узкий динамический диапазон, требования к наличию прямых участков большой протяженности.
В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющегося закону электромагнитной индукции. Основное применение получили расходомеры, у которых измеряют ЭДС, индуцируемою в жидкости, при пересечении жидкостью магнитного поля. К достоинствам электромагнитных расходомеров можно отнести: отсутствие подвижных частей, широкий динамический диапазон и высокую точность измерения расхода, низкие требования к прямым участкам без гидравлических сопротивлений и профилю потока, независимость показаний от изменений вязкости, температуры и давления рабочей среды. Еще одно преимущество электромагнитных расходомеров это - при осесимметричном потоке показания расходомера при одном и том же расходе будут одинаковы как при турбулентном так и при ламинарном потоке, т.е. профиль скоростей не оказывает влияния на показания расходомера.
Благодаря отмеченным достоинствам, ЭМР в настоящее время становятся одними из основных приборов для измерения расхода жидкостей в заполненных трубопроводах. Однако следует иметь ввиду, что традиционные электромагнитные преобразователи больших калибров весьма громоздки – вес измерительного преобразователя расхода диаметром 2,4 м достигает 2000 кг; они обладают высокой стоимостью и большой энергоемкостью. Точность описанных приборов больших калибров порядка 2-3%. Поэтому применение ЭМР с однородным поперечным магнитным полем для измерения расхода в трубопроводах больших диаметров не всегда является экономически целесообразным и удобным для использования. Практика показывает, что задача измерения расхода возникает и для трубопроводов с диаметрами, существенно превышающими 1000 мм, но при этом вес и габариты традиционных ЭМР возрастают настолько, что их практическое использование становится проблематичным. В целом ряде случаев это является непреодолимым препятствием для применения этих приборов.
Вместе с тем, учитывая достоинства электромагнитного метода, весьма перспективным является создание компактных, малометаллоемких ЭМР с низким энергопотреблением, обеспечивающих измерение расхода с нормированными погрешностями в заполненных трубопроводах больших диаметров, базирующихся на измерении расхода методом “площадь-скорость”, основанном на определении объемного расхода жидкости по скорости потока в одной точке (точке средней скорости) поперечного сечения трубопровода и площади последнего, согласно ИСО 7145 и ГОСТ 8.361-79.
В плане создания таких СИТ наиболее предпочтительным является использование зондовых электромагнитных преобразователей с локальным магнитным полем, т.е. полем, создаваемым магнитной системой преобразователя в некоторой области измеряемого потока. Эти СИТ, наряду со всеми достоинствами традиционных ЭМР, имеют ряд преимуществ: они технологичны, обладают малыми металлоемкостью, энергопотреблением и стоимостью, монтаж осуществляется без прерывания подачи воды, возможность работы в автономном режиме. Преобразователь может также применяться при измерении скорости потоков воды в открытых водоемах, руслах рек, каналах и т.п.
На данный момент основная относительная погрешность измерения скорости потоков жидкости ЗЭП в трубопроводах большого диаметра лежит в пределах от 2% до 1%. Для уменьшения погрешности измерения возможно применение ряда мер, среди которых надо выделить необходимость добиться максимально возможной стабильности магнитного поля, создаваемого катушкой возбуждения и учитывать характер и снизить степень зависимости показаний ЭМР от градиента скорости измеряемой среды. Одними из наиболее влияющих факторов на результат измерения скорости (расхода) в трубопроводах является загрузка измерительного сечения трубопровода преобразователем и поперечный градиент скорости. Необходимость введения коррекции этих факторов можно оценить на основе расчета их влияния, что позволит внести в результат измерения необходимую поправку. На основе выражения (2.1) [2],
Результаты расчета показали,
что за оптимальное соотношение конструктивных параметров l/r необходимо
принять l/r = 0,5, поскольку при этом отношении получена наименьшая
зависимость показаний ЭМР преобразователя от поперечного градиента скорости
исследуемого потока. Такое соотношение позволяет получить сравнительно
однородное магнитное поле в области формирования сигнала – рабочей области ЭМР
преобразователя. Уменьшение этого соотношения до 0,25, приводит к большей
однородности магнитного поля, однакопри этом возникают конструктивне
сложности, а уменьшения зависимости показаний ЭМР преобразователей от
поперечного градиента скорости не значительно.
Рисунок 2.1 - Катушка возбуждения магнитного поля преобразователя
Т.о. после обзора
наиболее часто используемых в настоящее время расходомеров можно сделать
вывод, о том что применение зондового электромагнитного преобразователя
скорости потоков электропроводящей жидкости для учета расхода в трубопроводах
большого диаметра является наиболее экономически выгодным и конструктивно
целесообразным решением. На основе результатов расчета выражения, учитывающего
относительную величину вклада в сигнал ЭМР добавки, связанной с градиентом
скорости измеряемого потока, удалось установить оптимальное соотношение
конструктивных параметров катушки возбуждения. Результаты расчета показали,
что за оптимальное соотношение конструктивных параметров l/r необходимо
принять l/r = 0.5, поскольку при этом отношении получена наименьшая
зависимость показаний ЭМР преобразователя от поперечного градиента скорости
исследуемого потока.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1
Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. -Л.:
Машиностроение, 1989. -702 с.
2 Бобровников Г.Н., Камышев Л.А.
Теория и расчет турбинных расходомеров. М.: Изд-во стандартов, 1978. -128с.
3 Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника. -М.: Изд-во стандартов,
1977. -240с.
4 Биргер Г.И., Бражников Н.И.
Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия,
1964. –382 с.
5 Дж. Шерклиф. Теория электромагнитного
измерения расхода. М.: -Мир, -1965. – 268с.
6 Корсунский Л.М.
Электромагнитные гидрометрические приборы. М.: -Стандартгиз.
–1964. –180с.
7 Вельт И.Д., Ламочкина Т.И., Петрушайтис В.И. Вопросы
проектирования электромагнитных расходомеров с неоднородным магнитным полем.
//Приборы и системы управления.-1972, -№9. –С.33-35.
8 Марфенко И.В.
Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметоров : Дисс. канд.
техн. наук- Харьков – 2000.- 200с.
In article the brief review most frequently used flowmeters is made, their lacks are specified. Advantages of electromagnetic flowmeters are marked, the electromagnetic converter for the account of the charge liquids advantages of use are specified in pipelines of the big diameter, in comparison with traditional electromagnetic flowmeters. Measures for increase of accuracy of measurement are offered by the electromagnetic converter. On the basis of mathematical expression the choice of optimum parameters of the coil of excitation is made.
В последние годы на Украине наметилась тенденция к повышению количества объектов промышленного и сельскохозяйственного производства, что ведет к повышению потребления воды. Запасы пресной воды на Украине не столь велики и значимость их сохранения растет. Решение задачи сбережения водных ресурсов, в настоящее время, немыслимо без создания и развития крупных водных систем, что в свою очередь ставит задачу создания информационно- измерительных систем, которые бы обеспечили рациональное и гарантированное обеспечение водой потребителей. Создание таких систем требует большого количества надежных, дешевых, простых и удобных в эксплуатации средств измерительной техники (СИТ) с высокими метрологическими характеристиками, в частности, расходомеров воды для труб среднего и большого диаметров.
В настоящее время наиболее часто используются следующие преобразователи расхода: ультразвуковые, механические, приборы с перепадом давления в сужающем устройстве и электромагнитные расходомеры (ЭМР).
Механические расходомеры и счетчики имеют обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Измеряя скорость движения подвижного элемента, получают расходомер, а измеряя общее число оборотов его – счетчик количества прошедшей жидкости. Основной недостаток механических расходомеров – изнашивание опор, поэтому они непригодны для веществ содержащих механические примеси, соли. Изменение пространственной ориентации также влияет на условия работы подшипников и оказывает влияние на градуировочную зависимость, особенно при малых расходах. Еще один недостаток - механический расходомер представляет собой местное сопротивление в системе водоснабжения.
Ультразвуковые расходомеры основаны на измерении зависящего от расхода того или иного эффекта, возникающего при прохождении акустических колебаний через поток жидкости. Преимущественое распространение получили приборы, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Среди недостатков ультразвуковых расходомеров можно выделить необходимость компенсации показаний при изменении вязкости, температуры и давлении рабочей среды, сложность монтажа и демонтажа, высокие требования к прямым участкам без гидравлических сопротивлений и профилю потока, возможность нарушения работоспособности при отложениях осадков на пассивных отражателях (внутренней поверхности трубопровода) и необходимостью, вследствие этого, специальной обработки внутренней поверхности трубопровода в месте монтажа датчиков. Кроме того значительное влияние на результаты измерений оказывают паразитые акустические сигналы.
Измерение расхода методом переменного перепада давления в сужающем устройстве основано на зависимости перепада давления, установленным в трубопроводе неподвижным сужающим устройством, от расхода жидкости. Эти расходомеры обладают рядом принципиально неустранимых недостатков, среди которых основные: необходимость трудоемкого демонтажа для проведения периодической поверки, узкий динамический диапазон, требования к наличию прямых участков большой протяженности.
В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющегося закону электромагнитной индукции. Основное применение получили расходомеры, у которых измеряют ЭДС, индуцируемою в жидкости, при пересечении жидкостью магнитного поля. К достоинствам электромагнитных расходомеров можно отнести: отсутствие подвижных частей, широкий динамический диапазон и высокую точность измерения расхода, низкие требования к прямым участкам без гидравлических сопротивлений и профилю потока, независимость показаний от изменений вязкости, температуры и давления рабочей среды. Еще одно преимущество электромагнитных расходомеров это - при осесимметричном потоке показания расходомера при одном и том же расходе будут одинаковы как при турбулентном так и при ламинарном потоке, т.е. профиль скоростей не оказывает влияния на показания расходомера. Благодаря отмеченным достоинствам, ЭМР в настоящее время становятся одними из основных приборов для измерения расхода жидкостей в заполненных трубопроводах. Однако следует иметь ввиду, что традиционные электромагнитные преобразователи больших калибров весьма громоздки – вес измерительного преобразователя расхода диаметром 2,4 м достигает 2000 кг; они обладают высокой стоимостью и большой энергоемкостью. Точность описанных приборов больших калибров порядка 2-3%. Поэтому применение ЭМР с однородным поперечным магнитным полем для измерения расхода в трубопроводах больших диаметров не всегда является экономически целесообразным и удобным для использования. Практика показывает, что задача измерения расхода возникает и для трубопроводов с диаметрами, существенно превышающими 1000 мм, но при этом вес и габариты традиционных ЭМР возрастают настолько, что их практическое использование становится проблематичным. В целом ряде случаев это является непреодолимым препятствием для применения этих приборов.
Вместе с тем, учитывая достоинства электромагнитного метода, весьма перспективным является создание компактных, малометаллоемких ЭМР с низким энергопотреблением, обеспечивающих измерение расхода с нормированными погрешностями в заполненных трубопроводах больших диаметров, базирующихся на измерении расхода методом “площадь-скорость”, основанном на определении объемного расхода жидкости по скорости потока в одной точке (точке средней скорости) поперечного сечения трубопровода и площади последнего, согласно ИСО 7145 и ГОСТ 8.361-79.
В плане создания таких СИТ наиболее предпочтительным является использование зондовых электромагнитных преобразователей с локальным магнитным полем, т.е. полем, создаваемым магнитной системой преобразователя в некоторой области измеряемого потока. Эти СИТ, наряду со всеми достоинствами традиционных ЭМР, имеют ряд преимуществ: они технологичны, обладают малыми металлоемкостью, энергопотреблением и стоимостью, монтаж осуществляется без прерывания подачи воды, возможность работы в автономном режиме. Преобразователь может также применяться при измерении скорости потоков воды в открытых водоемах, руслах рек, каналах и т.п. На данный момент основная относительная погрешность измерения скорости потоков жидкости ЗЭП в трубопроводах большого диаметра лежит в пределах от 2% до 1%. Для уменьшения погрешности измерения возможно применение ряда мер, среди которых надо выделить необходимость добиться максимально возможной стабильности магнитного поля, создаваемого катушкой возбуждения и учитывать характер и снизить степень зависимости показаний ЭМР от градиента скорости измеряемой среды. Одними из наиболее влияющих факторов на результат измерения скорости (расхода) в трубопроводах является загрузка измерительного сечения трубопровода преобразователем и поперечный градиент скорости. Необходимость введения коррекции этих факторов можно оценить на основе расчета их влияния, что позволит внести в результат измерения необходимую поправку. На основе выражения (2.1) [2],
Результаты расчета показали, что за оптимальное соотношение конструктивных параметров l/r необходимо принять l/r = 0,5, поскольку при этом отношении получена наименьшая зависимость показаний ЭМР преобразователя от поперечного градиента скорости исследуемого потока. Такое соотношение позволяет получить сравнительно однородное магнитное поле в области формирования сигнала – рабочей области ЭМР преобразователя. Уменьшение этого соотношения до 0,25, приводит к большей однородности магнитного поля, однакопри этом возникают конструктивне сложности, а уменьшения зависимости показаний ЭМР преобразователей от поперечного градиента скорости не значительно.
Рисунок 2.1 - Катушка возбуждения магнитного поля преобразователя
Т.о. после обзора наиболее часто используемых в настоящее время расходомеров можно сделать вывод, о том что применение зондового электромагнитного преобразователя скорости потоков электропроводящей жидкости для учета расхода в трубопроводах большого диаметра является наиболее экономически выгодным и конструктивно целесообразным решением. На основе результатов расчета выражения, учитывающего относительную величину вклада в сигнал ЭМР добавки, связанной с градиентом скорости измеряемого потока, удалось установить оптимальное соотношение конструктивных параметров катушки возбуждения. Результаты расчета показали, что за оптимальное соотношение конструктивных параметров l/r необходимо принять l/r = 0.5, поскольку при этом отношении получена наименьшая зависимость показаний ЭМР преобразователя от поперечного градиента скорости исследуемого потока.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. -Л.: Машиностроение, 1989. -702 с.2 Бобровников Г.Н., Камышев Л.А. Теория и расчет турбинных расходомеров. М.: Изд-во стандартов, 1978. -128с.
3 Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника. -М.: Изд-во стандартов, 1977. -240с.
4 Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры. М.: Металлургия, 1964. –382 с.
5 Дж. Шерклиф. Теория электромагнитного измерения расхода. М.: -Мир, -1965. – 268с.
6 Корсунский Л.М. Электромагнитные гидрометрические приборы. М.: -Стандартгиз. –1964. –180с.
7 Вельт И.Д., Ламочкина Т.И., Петрушайтис В.И. Вопросы проектирования электромагнитных расходомеров с неоднородным магнитным полем. //Приборы и системы управления.-1972, -№9. –С.33-35.
8 Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметоров : Дисс. канд. техн. наук- Харьков – 2000.- 200с.