Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10^–6 См/м (электропроводность водопроводной воды 10^–3 См/м).

На рис. 9.8, а показана принципиальная схема электромагнитного расходомера.

Рис. 9.8. Схема электромагнитного расходомера:
а – с внешним магнитом; б – с внутренним магнитом

Корпус 1 преобразователя, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2 (резиной, эмалью, фторопластом), расположен между полюсами магнита (на рис. 9.8, а изображен постоянный магнит). Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов.

В соответствии с законом электромагнитной индукции при осесимметричном профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС

, (9.13)

где B – индукция магнитного поля; v_ср – средняя скорость жидкости; D – длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы. Учитывая, что Q_О = pD²v_ср/4, получаем

. (9.14)

Отсюда следует, что ЭДС Е прямо пропорциональна измеряемому объемному расходу. Измерение наведенной ЭДС осуществляется измерительным прибором ИП, к которому предъявляются жесткие требования по значению его входного сопротивления Z_и. Для обеспечения малого влияния внутреннего сопротивления преобразователя Z_п необходимо выполнение соотношения

. (9.15)

Внутреннее сопротивление преобразователя растет с уменьшением электропроводности жидкости, что вызывает необходимость увеличения Z_и, однако этому препятствует емкостное сопротивление соединительных проводов, включенных параллельно Z_и. Поэтому необходимость выполнения условия (9.15) накладывает ограничения на минимальную электропроводность измеряемой жидкости.

Применение постоянных магнитов в расходомерах позволяет облегчить борьбу с помехами от внешних электромагнитных полей, увеличить быстродействие прибора. Основным недостатком их использования является поляризация электродов: концентрация у положительного электрода отрицательных ионов, а у отрицательного положительных. Вследствие этого на границах электродов создаются ЭДС, которые в сумме образуют ЭДС поляризации, направленную против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную характеристику прибора и делает невозможной его стабильную работу.

Для исключения влияния статического электрического поля, возникающего между металлическими электродами в жидкости (электрохимический потенциал), и других случайных воздействий магнитное поле, формируемое катушками, периодически изменяется по определенному закону. Формирование импульсов тока в катушках индуктивности, снятие величины ЭДС с электродов, выделение полезного сигнала и преобразование его в последовательность выходных импульсов осуществляются электронным блоком, работающим под управлением микропроцессора.

Для снижения влияния эффекта электрохимической поляризации электродов, с одной стороны, и для исключения влияния на ЭДС изменения индукции, с другой, магнитное поле должно быть квазистационарным, т.е. оставаться в течение достаточно долгого времени (у датчика ПРЭМ-2 до 100 мс, у датчика ПРИМ до 60 мс) постоянным и при этом периодически изменять направление на противоположное. Измерение наведенной ЭДС производится в течение каждой из полуволн в стационарном режиме после окончания переходного процесса. В паузе между полуволнами производится автоматическая коррекция нуля преобразователя, в т.ч. фиксируется электрохимический потенциал на электродах.

Сигнал от первичного преобразователя расхода имеет малую амплитуду (от единиц микровольт) при низком соотношении сигнал / шум. Поэтому применяются специальные схемотехнические и конструктивные решения, в частности, для связи с электронным блоком применяется витая пара в экране.

Ключи возбуждения индуктора формируют рабочий ток индуктора в последовательности:

- «положительное» направление тока;

- «ноль» тока;

- «отрицательное» направление тока;

- «ноль» тока.

Ключи спроектированы так, что при включении быстро «накачивают» индуктивность катушек за счет энергии, запасенной в конденсаторе, и при напряжении большем, чем рабочее. При выключении структура ключей позволяет аккумулировать на конденсаторе энергию, выделяющуюся при коллапсе поля в индукторе, чтобы использовать ее в следующем цикле. В результате снижается токопотребление преобразователя, т.к. энергия тратится только на рассеивание на активном сопротивлении индуктора.

Усилитель сигналов ЭДС с электродов компенсирует электрохимический потенциал, доводит уровень до 3 В и передает его на АЦП.

Микропроцессорный блок работает по программе, записанной во FLASH-памяти:

- управление ключами возбуждения индуктора;

- оцифровка, усреднение, фильтрация входного сигнала;

- формирование внутреннего сигнала по контрольным точкам расхода, измеренного по эталонному прибору при градуировке преобразователя на поверочной установке. Возможно хранение до 32 контрольных точек;

- формирование выходной импульсной последовательности, пропорциональной расходу.

В последнее время появились электромагнитные расходомеры РМ-5-Б1 (один преобразователь расхода), РМ – 5-Б3 (три преобразователя расхода), позволяющие измерять объём и массу электропроводящих жидкостей в напорных трубопроводах большого диаметра (D =300÷5000 мм).

В расходомере РМ – 5-Б3 три преобразователя расхода расположены под углом 120° в одном сечении трубы, что позволяет повысить точность, распознать неполное заполнение трубы.

Индуктор и электроды расположены в торце преобразователя расхода. Торец располагают на расстоянии 0,242R от стенки трубы, где скорость потока равна средней скорости жидкости по сечению.

Структура расходомера Взлет – ЭР представлена на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Структурная схема электромагнитного расходомера Взлёт – ЭР

Первичный преобразователь расхода (ППР) выполнен в виде полого цилиндра из немагнитного материала с обмотками электромагнита и электродами для съема измерительного сигнала. ППР встраивается в трубопровод и практически не препятствует потоку жидкости. Футеровка ППР изготовляется не из фторопласта, как обычно, а из термопластичного материала из разряда суперконструкционных полимеров (t_раб до 260 °С), с высокой стойкостью к воздействию химически агрессивных растворителей, высокой твердостью и жесткостью, коэффициентом линейного расширения не более 25×10^–6 К^–1 (близкой к металлам), глянцевостью поверхности при низкой адгезии.

Значение объема расхода жидкости, время наработки прибора нарастающим итогом, а также все установочные параметры записываются в ППЗУ типа FLASH-памяти электронного измерительного блока. Поэтому все данные сохраняются даже при отсутствии напряжения питания не менее года.

На импульсный выход подается последовательность импульсов с заданным весом (число-импульсный код, пропорциональный расходу) или частота, пропорциональная расходу.

В первом случае возможна установка коэффициента преобразования от 0,01 до 10000 импульсов/л с длительностью импульса от 1 до 50 мс. Импульсы следуют в пачке через интервал измерения 0,5 с. Во втором случае выходная частота от 7 до 2290 Гц пропорциональна расходу.

RS-232 стандартного типа (S до 15 м, V = 1200÷19200 бод) с возможностью как безадресного, так и адресного запроса, а также введения задержки при адресном запросе. Последнее позволяет получать не только текущие значения измеряемых параметров, а также изменять установочные параметры, используя полудуплексный режим.

По заказу могут измеряться расход и объем реверсируемой жидкости в каждом направлении. Длина прямолинейных участков минимальна для расходометров (3 Д_у до и 2 Д_у после места установки).

Преобразователь ППР обеспечивает погрешность измерений 1 % в диапазоне 200:1 и 2 % в диапазоне 500:1. Электромагнитные теплосчетчики ТС-07 и расходомеры ИПРЭ-7 на основе ППР за три года не имели ни одного отказа (3,5 тыс. экземпляров).

Достоинства электромагнитных расходомеров:

- широкий диапазон (Д = 100:1 и более);

- высокая точность;

- отсутствие сопротивления потоку.

Недостаток – критичность к отложениям на поверхности трубы.

Электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов затруднено или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп, измерении расхода жидких металлов.

К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводности измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходомеров. Другим недостатком расходомеров является сложность измерительной схемы, подверженность ее влиянию многих помех, что затрудняет изготовление расходомеров класса более 1 и усложняет эксплуатацию. Промышленностью выпускаются несколько типов индукционных расходомеров классов 1 и 1,5. Верхние пределы измерения Q_в.п равны 0,3¸5000 м³/ч.