Электромагнитные расходомеры. Устройство, принцип действия, типы электромагнитных расходомеров.
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10-3 См /м (соответствует электропроводности водопроводной воды). Имеются специальные расходомеры, позволяющие измерять расход жидкостей с электропроводностью до 10-5См/м. В настоящее время электромагнитные расходомеры это самые распространенные приборы для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром менее 250 мм. Что объясняется их следующими положительными чертами:
• показания не зависят от вязкости и плотности среды;
• динамический диапазон достигает 100 и более;
• преобразователи расхода являются безынерционными;
• они не имеют частей, выступающих внутрь трубы, и, таким образом, не создают потери давления;
• влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем у других расходомеров, поэтому требуемая длина прямых участков для них минимальная;
• электромагнитные расходомеры применяются на трубопроводах диаметром от 2 до 4000 мм;
• 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, пульп, жидких металлов.
К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводности измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходомеров. Другой недостаток расходомеров — низкий уровень информативного сигнала (мкВ) и необходимость тщательной защиты преобразователя и линий связи от внешних помех.
Отечественными и зарубежными фирмами выпускается широкий спектр микропроцессорных электромагнитных расходомеров: МР400 (ф. «Взлет»), ИПРЭ-1 (Арзамасский приборостроит. з-д), РМ-5 (ф. «ТБН»), РОСТ 13, ТРЭМ-ПР (з-д «Молния»), ВИС. Т (ф. «Тепловизор»), РСМ-05 (ф. «ТЭМ-прибор»), VA 2305 (ф. Aswega),
Magne W 3000 PLUS (ф. Honeywell), IMT96 (ф. Foxboro), ADMAD (ф. Yokogawa), SITRANS FM (ф. Siemens) и др. Эти приборы помимо цифровых показаний и токового выходного сигнала могут иметь импульсный выход, интерфейсы RS-232, RS-485, а в ряде случаев HART-, BRAIN- и Profibus-протоколы.
Принципиальная схема первичного преобразователя электромагнитного расходомера показана на рис. 1, а.
Рис. 1. Схема преобразователей электромагнитных расходомеров:
а — с внешним магнитом: 1 — преобразователь; 2 — электрическая изоляция; 3 — электроды; б — с внутренним магнитом; 1 — обтекаемый корпус; 2 — магнит; 3 — электроды; 4 — кабель
Рабочий участок трубы преобразователя 1, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2 (резиной, эмалью, фторопластом и т.п.), расположен между полюсами электромагнита. 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.
ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу. Измерение наведенной ЭДС осуществляется измерительным прибором ИП.
Применение постоянных электромагнитов 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 поверхности электродов создаются потенциалы, образующие ЭДС поляризации, направленную против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную характеристику прибора и делает невозможной его стабильную работу. Поэтому электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем не применяются для жидкостей с ионной проводимостью. Широкое распространение они получили для измерения расхода сред с электронной проводимостью, например расплавленных металлов, в которых отсутствует явление поляризации.
В качестве примера на рис. 1, б представлена схема электромагнитного преобразователя скорости с цилиндрическим магнитом. Основными элементами преобразователя являются обтекаемый корпус 1, магнит 2 в форме цилиндра и электроды 3. В простейшем случае электроды привариваются к внутренней поверхности корпуса в диаметрально противоположных точках и выводятся из корпуса с помощью кабеля 4. При обтекании преобразователя жидким металлом между электродами появляется разность потенциалов, пропорциональная скорости металла.
Для измерения расхода сред с ионной проводимостью применяются расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом (рис. 2).
Рис. 2. Схема расходомера с переменным магнитным полем
При достаточно высокой частоте поляризация электродов практически отсутствует, однако использование переменного магнитного поля имеет свои недостатки. Наиболее серьезным из них является появление паразитной трансформаторной ЭДС Ет.
Значение Ет можно уменьшить, располагая провода А и Б (см. рис. 1, а) в одной плоскости, параллельной силовым линиям магнитного поля. Обычно для ослабления влияния Ет используется схема, представленная на рис. 2. В этой схеме от одного из электродов отходят два провода, симметрично охватывающих трубопровод с обеих сторон и замыкающихся на резистор R. Измерительный прибор подключается к движку этого резистора и второму электроду. При нулевом расходе перемещением движка резистора необходимо добиться минимального сигнала на входе измерительного прибора.
Оба описанных приема не устраняют трансформаторную ЭДС полностью. В современных расходомерах для ее полного устранения используется сдвиг по фазе на 90° между Е и Ет. В этом случае измерительная схема содержит два канала, один из которых предназначен для измерения полезного сигнала, второй—для компенсации трансформаторной ЭДС. С помощью фазочувствительных детекторов по первому каналу пропускается только информативный сигнал, который затем измеряется показывающим или регистрирующим прибором. По второму каналу проходит только сигнал, пропорциональный Ет который затем по цепи отрицательной обратной связи поступает на вход схемы и компенсирует трансформаторную ЭДС.
Большинство перечисленных преобразователей расхода имеют внешнее магнитное поле. Они выпускаются на диаметры условного прохода 2,5; 5; 10; 15; 25; 32; 40; 50; 80; 100; 150; 200; 300 мм для жидкостей с температурой от -40 до 180 °С и давлением до 4 МПа. Расходомеры работают в диапазоне скоростей потока 0,1... 10 м/с, некоторые из расходомеров являются двунаправленными, т.е. могут измерять расход реверсных потоков. Предел основной относительной погрешности общепромышленных преобразователей лежит в диапазоне ± (0,5... 1) %.
Для питания электромагнитов преобразователей используется ток переменный или однополупериодный с частотой 5...7 Гц. В некоторых расходомерах на обмотки магнитов подается ток двойной частоты 75 и 6,25 Гц (ADMAG AM, АЕ, СА). Один из вариантов устранения ЭДС поляризации, возникающей при питании электромагнита однополярным пульсирующим током, создающим магнитный поток с индукцией В, иллюстрирует схема на рис. 3.
Рис. 3. Выходной сигнал (меандр) электромагнитного преобразователя
В момент t1 в обмотку подается импульс тока, который прекращается в момент t3 В момент t0 на электродах остается ЭДС поляризации, поскольку этот процесс является более инерционным. Значение этого напряжения и напряжения, соответствующего моменту t2, фиксируется микропроцессором. Разность этих сигналов представляет собой информативный сигнал, пропорциональный G0. При питании электромагнита низкочастотными импульсами тока разной полярности ЭДС поляризации для моментов, аналогичных t0 вычитаются.
Для измерения расходов в трубопроводах диаметром более 300 мм используется метод измерения локальной скорости потока (методы и «площадь—скорость» и «площадь— скорость—градиент»). В преобразователях «площадь—скорость» электромагнит с помощью штанги вводится в поток на расстояние 0,242 радиуса от стенки трубопровода.
В этой точке при осесимметричном потоке в фиксированном диапазоне расходов локальная скорость потока с небольшой погрешностью равна средней по сечению, т.е. выходной сигнал преобразователя определяется средней скоростью и, следовательно, по (13.4) будет связан с объемным расходом. Сигнал преобразователей типа «площадь—скорость—градиент» меньше зависит от несимметрии профиля скоростей.
Схема преобразователя РМ-5-БЗ дана на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема электромагнитного расходомера РМ-5-БЗ
В этих преобразователях используются три измерителя скорости ИС, включающих локальные преобразователи скорости ПС и измерительные блоки ИБ, образующие измерительный блок ППС. Преобразователи скорости располагаются равномерно по окружности, причем все они ориентированы по радиусу канала. Микропроцессорная обработка сигналов трех преобразователей в измерительно-вычислительном блоке ИВБ-1П обеспечивает измерение объемного расхода в трубопроводах диаметром до 5000 мм с относительной погрешностью ±(1,5.. .2) % (РМ-5-БЗ), при использовании одного преобразователя (РМ-5-Б1) погрешность возрастает до ±(2...3) %. Погружение ПС в трубопровод производится с помощью шлюзовых камер, что позволяет производить их замену и извлечение без опустошения трубопровода. Шлюзовая камера отсекается от трубопровода с помощью шарового крана, имеющего проходное отверстие для штанги преобразователя. При давлениях до 2 МПа три резиновых кольца на штанге преобразователя обеспечивают ее герметичный ввод при выполнении следующей последовательности операций: ввод штанги в шлюз при закрытом шаровом кране; ручное открытие шарового крана; погружение штанги преобразователя в трубопровод. Для удержания штанги при открытии шарового крана и подаче в шлюз давления, а также для ее погружения в трубопровод используется специальное приспособление.