Energy
education

7. Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры – это расходомеры, в основе работы которых лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющейся закону электромагнитной индукции.

Наиболее часто применяют такие электромагнитные расходомеры, у которых измеряется электродвижущая сила (ЭДС), индуктируемая в жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого между полюсами магнита или электромагнита устанавливают участок трубопровода, который изготовлен из немагнитного материала и внутри покрыт неэлектропроводной изоляцией, вводятся два электрода в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея. Разность потенциалов на электродах определяется следующим образом:

$$E = B·D·v = \frac{4·B·Q_0}{\pi·D},$$

где $В$ – магнитная индукция; $D$ – расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; $v$ – средняя скорость; $Q_0$ – объёмный расход жидкости.

Из формулы видно, что измеряемая разность потенциалов $Е$ прямо пропорциональна объёмному расходу жидкости $Q_0$.

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

Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем

К основным достоинствам постоянного магнитного поля можно отнести:

• относительную простоту устройства магнитной системы;
• возможность измерения расходов, изменяющихся с высокой частотой;
• отсутствие многочисленных помех, возникающих при применении переменного магнитного поля;
• возможность измерения расхода веществ с низкой электрической проводимостью.

Но постоянному магнитному полю свойственен существенный недостаток – поляризация электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности, что нарушает нормальную работу расходомера. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из специальных материалов (угольные, каломелиевые) или специальные покрытия для электродов (платиновые, танталовые).

В связи с этим для измерения расхода обычных жидкостей с ионной проводимостью постоянное магнитное поле не применяют. Такое поле может быть использовано для измерения расхода расплавленных металлов, имеющих электронную, а не ионную проводимость.

Также электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем применяют в лабораториях и исследовательской практике при кратковременных измерениях, когда явление поляризации практически не заметно, и при измерении быстропеременных расходов, измерение которых при переменном магнитном поле невозможно.

Электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем

Переменное магнитное поле сводит до минимума поляризацию электродов, благодаря чему широко применяется в расходомерах.

Однако применение такого поля имеет ряд ограничений:

1. Так как в преобразователе расхода совместно с токами проводимости протекают и токи смещения, то это ограничивает возможность применения переменного магнитного поля с малой электрической проводимостью: менее 10-6 см/м (например, лёгких нефтепродуктов, спиртов и т. п.).

Длина проводов, связывающих преобразователь расхода с измерительным прибором, ограничена емкостным сопротивление между ними и тем больше, чем чем меньше удельная проводимость жидкости. Для точного измерения ЭДС преобразователя нужно, чтобы сопротивление нагрузки во много (100-500) раз превышало сопротивление преобразователя. Влияние ёмкости проводов можно уменьшить следующими способами:

• усилитель или первую его ступень отделить от измерительного прибора и установить у преобразователя расхода;
• применение проводов с двойным экраном и подача на внутренний экран напряжения, равного по величине напряжению экранируемого провода.
2. При переменном магнитном поле наряду с полезным сигналом ЭДС возникает паразитная (трансформаторная) ЭДС, когда наводится на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами. Её источником является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторная ЭДС может быть значительно больше полезного сигнала, но обычно составляет 20-30%. Это нежелательное явление можно устранить, уменьшив площадь контура путём расположения плоскости витка, образованного проводниками, идущими от электродов, параллельно силовым линиям магнитного поля. Перемещая проводники можно добиться минимального сигнала помех.
3. Переменное магнитное поле вызывает появление вихревых токов Фуко как в магнитопроводе, так и в стенках трубопровода и измеряемой жидкости. При большой толщине стенки трубопровода величина этих токов значительна, что приводит к появлению их собственного магнитного поля, которое ослабляет основное магнитное поле.
4. Возможны помехи из-за блуждающих токов и внешних электромагнитных полей.
5. Изменение напряжения и частоты питания, а также температуры электромагнита могут вызвать изменение индукции магнитного поля, а следовательно и измеряемой ЭДС. Для устранения этого эффекта напряжение питания электромагнита делают опорным напряжением схемы сравнения.
6. Индукция магнитного поля не должна быть более 0.25-0.3 Тл, так как её увеличение вызовет усиление помех и рассеяния магнитного потока.
7. В электромагнитных расходомерах имеется паразитная (шумовая) ЭДС, возникающая от тепловых шумов во внутреннем сопротивлении жидкости между электродами. Это явление ограничивает применение электромагнитных расходомеров для жидкостей с большим удельным сопротивлением.

Электромагнитные расходомеры с импульсным магнитным полем низкой частоты

Применение переменного магнитного поля связано со значительными помехами и ограничениями, которые проявляются сильнее с увеличением частоты поля. Поэтому, если не требуется измерение быстропеременных расходов, часто снижают обычную частоту (50 Гц) магнитного поля. Это даёт ряд преимуществ:

1. Полностью исчезает влияние внешних помех промышленной частоты.
2. Почти полностью устраняется влияние вихревых токов, благодаря чему существенно упрощается создание преобразователей расхода на высокое давление.
3. Снижается влияние собственных индукционных и емкостных помех.
4. Снижается потребление электроэнергии.
5. Возможен отказ от шихтованного магнитопровода.
6. Упрощается изготовление благодаря исключению экранировки электродов и измерительных цепей.

Основными достоинствами расходомеры с импульсным магнитным полем являются: более высокая точность измерения по сравнению с переменным полем синусоидальной формы промышленной частоты (относительная погрешность (0.2-0.5)%); значительно меньшая затрачиваемая мощность.

Погрешность электромагнитных расходомеров определяется в основном погрешностями их градуировки и погрешностями измерения разности потенциалов ЭДС. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие, на данный момент не позволяют получить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров. Так, изготовляемые в СССР электромагнитные расходомеры, несмотря на индивидуальную градуировку (на высокоточных расходомерных стендах) и весьма совершенные средства измерения ЭДС, имеют класс точности 1.0— 2.5 %.

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

Гидравлические потери на приборе минимальны, потому что первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода, сужений или изменений профиля. Эти расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленности, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды, так как преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и коагулирование измеряемого продукта.

На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, 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 и не менее восьми диаметров до местных сопротивлений. Также 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.

Но расходомеры данного типа непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с малой электропроводностью, что является их существенным недостатком. Но 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.