Електромагнітні витратоміри

Принцип дії електромагнітних витратомірів заснований на законі електромагнітної індукції, відповідно до якого електропровідної рідини, що перетинає магнітне поле, індукується ЕРС, пропорційна швидкості руху рідини. Серійні електромагнітні витратоміри призначені для вимірювання витрати рідин з електропровідністю не менше 10 -3 см/м (відповідає електропровідності водопровідної води). Є спеціальні витратоміри, що дозволяють вимірювати витрати рідини з електропровідністю до 10 -5 См/м. В даний час електромагнітні витратоміри це найпоширеніші прилади для вимірювання витрати води у трубопроводах діаметром менше 250 мм. Що пояснюється їх такими позитивними характеристиками:

• показання не залежать від в'язкості та щільності середовища;

• динамічний діапазон досягає 100 і більше;

• перетворювачі витрати є безінерційними;

• вони не мають частин, що виступають усередину труби, і таким чином не створюють втрати тиску;

• вплив місцевих опорів значно менше, ніж в інших витратомірів, тому потрібна довжина прямих ділянок для них мінімальна;

• електромагнітні витратоміри застосовуються на трубопроводах діаметром від 2 до 4000 мм;

• електромагнітні витратоміри можуть бути використані в ряді випадків, коли застосування витратомірів інших типів утруднене або неможливо зовсім: при вимірюванні витрати агресивних, абразивних та в'язких рідин, пульп, рідких металів.

До недоліків електромагнітних витратомірів слід віднести вимоги до мінімального значення електропровідності вимірюваного середовища, що звужує коло використання такихвитратомірів. Інший недолік витратомірів - низький рівень інформативного сигналу (мкВ) та необхідність ретельного захисту перетворювача та ліній зв'язку від зовнішніх перешкод.

Вітчизняними та зарубіжними фірмами випускається широкий спектр мікропроцесорних електромагнітних витратомірів: МР400 (ф. «Зліт»), ІПРЕ-1 (Арзамаський приладобуд. з-д), РМ-5 (ф. «ТБН»), РОСТ 13, ТРЕМ-ПР ( з-д «Блискавка»), ВІС. Т (ф. "Тепловізор"), РСМ-05 (ф. "ТЕМ-прилад"), VA 2305 (ф. Aswega),

Magne W 3000 PLUS (ф. Honeywell), IMT96 (ф. Foxboro), ADMAD (ф. Yokogawa), SITRANS FM (ф. Siemens) та ін. -232, RS-485, а в ряді випадків HART-, BRAIN-і Profibus-протоколи.

Принципова схема первинного перетворювача електромагнітного витратоміра показано на рис. 1, а.

Мал. 1. Схема перетворювачів електромагнітних витратомірів:

а - із зовнішнім магнітом: 1 - перетворювач; 2 - електрична ізоляція; 3 - електроди; б - з внутрішнім магнітом; 1 - обтічний корпус; 2 - магніт; 3 - електроди; 4 - кабель

Робоча ділянка труби перетворювача 1, виготовлена ​​з немагнітного матеріалу і покрита зсередини електричною ізоляцією 2 (гумою, емаллю, фторопластом і т.п.), розташована між полюсами електромагніту. Через стінку труби ізольовано від неї діаметром введені електроди 3, що знаходяться в електричному контакті з рідиною. Силові лінії магнітного поля спрямовані перпендикулярно до площини, що проходить через вісь труби і лінію електродів.

Відповідно до закону електромагнітної індукції при осесиметричному профілі швидкостей у рідині між електродами наводитиметься ЕРС.

ЕРС прямо пропорційна об'ємномувитрати. Вимірювання наведеної ЕРС здійснюється вимірювальним приладом ІП.

Застосування постійних електромагнітів у витратомірах дозволяє полегшити боротьбу з перешкодами зовнішніх електромагнітних полів, збільшити швидкодію приладу. Основним недоліком їх використання є поляризація електродів: концентрація у позитивного електрода негативних іонів, а у негативного позитивних. Внаслідок цього на поверхні електродів створюються потенціали, що утворюють ЕРС поляризації, спрямовану проти основної вимірюваної ЕРС, що змінює градуювальну характеристику приладу і унеможливлює його стабільну роботу. Тому електромагнітні витратоміри з постійним магнітним полем не застосовуються для рідин з іонною провідністю. Широке поширення вони набули для вимірювання витрати середовищ з електронною провідністю, наприклад, розплавлених металів, в яких відсутнє явище поляризації.

Як приклад на рис. 1 б представлена ​​схема електромагнітного перетворювача швидкості з циліндричним магнітом. Основними елементами перетворювача є обтічний корпус 1, магніт 2 у формі циліндра і електроди 3. У найпростішому випадку електроди приварюються до внутрішньої поверхні корпусу в діаметрально протилежних точках і виводяться з корпусу за допомогою кабелю 4. При обтіканні перетворювача рідким металом між електродами з'являється різниця пропорційна швидкості металу.

Для вимірювання витрати середовищ з іонною провідністю застосовуються витратоміри зі змінним магнітним полем, створюваним електромагнітом (рис. 2).

Мал. 2. Схема витратоміра зі змінним магнітним полем

При досить високій частоті поляризація електродів практично відсутня, проте використаннязмінного магнітного поля має недоліки. Найбільш серйозною з них є поява паразитної трансформаторної ЕРС Ет.

Значення Ет можна зменшити, розташовуючи дроти А і Б (див. рис. 1, а) в одній площині, паралельній силовим лініям магнітного поля. Зазвичай ослаблення впливу Ет використовується схема, представлена ​​на рис. 2. У цій схемі від одного з електродів відходять два дроти, що симетрично охоплюють трубопровід з обох сторін і замикаються на резистор R. Вимірювальний прилад підключається до двигуна цього резистора і другого електрода. При нульовому витраті переміщенням двигуна резистора необхідно досягти мінімального сигналу на вході вимірювального приладу.

Обидва описані прийоми не усувають трансформаторну ЕРС повністю. У сучасних витратомірах для її повного усунення використовується зсув фазі на 90° між Е і Ет. У цьому випадку вимірювальна схема містить два канали, один з яких призначений для вимірювання корисного сигналу, другий для компенсації трансформаторної ЕРС. За допомогою фазочутливих детекторів по першому каналу пропускається тільки інформативний сигнал, який потім вимірюється приладом, що показує або реєструє. По другому каналу проходить тільки сигнал, пропорційний Ет який потім ланцюгом негативного зворотного зв'язку надходить на вхід схеми і компенсує трансформаторну ЕРС.

Більшість перерахованих перетворювачів витрати мають зовнішнє магнітне поле. Вони випускаються діаметри умовного проходу 2,5; 5; 10; 15; 25; 32; 40; 50; 80; 100; 150; 200; 300 мм для рідин з температурою від -40 до 180 ° С та тиском до 4 МПа. Витратоміри працюють у діапазоні швидкостей потоку 0,1. 10 м/с, деякі з витратомірів є двонаправленими, тобто. можуть вимірювати витрати реверсних потоків.Межа основної відносної похибки загальнопромислових перетворювачів лежить у діапазоні ±(0,5.1) %.

Для живлення електромагнітів перетворювачів використовується струм змінний або однонапівперіодний з частотою 5. 7 Гц. У деяких витратомірах на обмотки магнітів подається струм подвійної частоти 75 і 625 Гц (ADMAG AM, АЕ, СА). Один з варіантів усунення ЕРС поляризації, що виникає при живленні електромагніту однополярним пульсуючим струмом, що створює магнітний потік з індукцією, ілюструє схема на рис. 3.

Мал. 3. Вихідний сигнал (меандр) електромагнітного перетворювача

В момент t 1 в обмотку подається імпульс струму, який припиняється в момент t 3 У момент t 0 на електродах залишається ЕРС поляризації, оскільки цей процес є більш інерційним. Значення цієї напруги та напруги, що відповідає моменту t 2 фіксується мікропроцесором. Різниця цих сигналів є інформативний сигнал, пропорційний G 0 . При живленні електромагніту низькочастотними імпульсами струму різної полярності ЕРС поляризації для моментів, аналогічних t 0 віднімаються.

Для вимірювання витрат у трубопроводах діаметром понад 300 мм використовується метод вимірювання локальної швидкості потоку (методи і «площа-швидкість» та «площа-швидкість-градієнт»). У перетворювачах "площа-швидкість" електромагніт за допомогою штанги вводиться в потік на відстань 0,242 радіусу від стінки трубопроводу.

У цьому точці при осесиметричному потоці у фіксованому діапазоні витрат локальна швидкість потоку з невеликою похибкою дорівнює середньої перерізу, тобто. вихідний сигнал перетворювача визначається середньою швидкістю і, отже, (13.4) буде пов'язаний з об'ємним витратою. Сигнал перетворювачів типу«Площа-швидкість-градієнт» менше залежить від несиметрії профілю швидкостей.

Схема перетворювача РМ-5-БЗ дано на рис. 4.

Мал. 4. Структурна схема електромагнітного витратоміра РМ-5-БЗ

У цих перетворювачах використовуються три вимірювачі швидкості ІВ, що включають локальні перетворювачі швидкості ПС та вимірювальні блоки ІБ, що утворюють вимірювальний блок ППС. Перетворювачі швидкості розташовуються рівномірно по колу, причому всі вони орієнтовані радіусом каналу. Мікропроцесорна обробка сигналів трьох перетворювачів у вимірювально-обчислювальному блоці ІВБ-1П забезпечує вимірювання об'ємної витрати в трубопроводах діаметром до 5000 мм із відносною похибкою ±(1,5.. .2) % (РМ-5-БЗ), при використанні одного перетворювача ( РМ-5-Б1) похибка зростає до ±(2.3)%. Занурення ПС у трубопровід проводиться за допомогою шлюзових камер, що дозволяє проводити їх заміну та вилучення без спустошення трубопроводу. Шлюзова камера відсікається від трубопроводу за допомогою шарового крана, що має прохідний отвір для штанги перетворювача. При тисках до 2 МПа три гумові кільця на штанзі перетворювача забезпечують її герметичний введення при виконанні наступної послідовності операцій: введення штанги в шлюз при закритому кульовому крані; ручне відкриття кульового крана; занурення штанги перетворювача в трубопровід. Для утримання штанги при відкритті кульового крана та подачі в шлюз тиску, а також для її занурення у трубопровід використовується спеціальний пристрій.

---