§ 7.7. Электромагнитные расходомеры
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции — законе Фарадея, согласно которому в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии,
индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Если использовать в качестве проводника поток электропроводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерить наведенную в жидкости ЭДС, то можно определить скорость потока или объемный расход жидкости. Схема электромагнитного расходомера показана на рис. 7.18. Между полюсами магнита N и S, перпендикулярно направлению магнитных силовых линий, располагается отрезок металлической немагнитной трубы 3, которая устанавливается между фланцами трубопровода с измеряемым потоком жидкости. Внутренняя поверхность трубы 3 покрыта электроизоляционным материалом (эмаль, стеклопластик, резина и др.). В плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям, диаметрально противоположно установлены в стенке трубы два электрода 1 н 2. Электроды с помощью соединительных проводников подключены к измерительному прибору 4 (милливольтметру или потенциометру). ЭДС, индуцируемая в постоянном магнитном поле:
Рис. 7.18. Схема электромагнитного расходомера /
где В — магнитная индукция; W — средняя скорость потока жидкости; D — внутренний диаметр трубопровода; Q — объемный расход жидкости.
Из уравнения (7.55) следует, что при £=const измеряемая ЭДС линейно зависит от объемного расхода жидкости. Электромагнитные расходомеры могут быть использованы для жидкостей, имеющих электропроводность не менее 10~5—10~6 См/м (что несколько меньше электропроводности питьевой воды).
Основным и существенным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем является возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации, уменьшающих полезно индуцируемую ЭДС и приводящих к значительным погрешностям измерения. Паразитная ЭДС поляризации практически может быть устранена при использовании в качестве магнитов электромагнитов, питаемых переменным током. В этом случае индуцируемая ЭДС Е = 4Q£max sin 2я/т/(л£>), (7.56)
где Вшах — амплитудное значение магнитной индукции; / — частота переменного тока.
Однако использование переменного магнитного поля создает ряд эффектов, искажающих полезный сигнал.
К числу помех относится трансформаторная помеха, достигающая 20—30% полезного сигнала, возникающая из-за ЭДС, наводимой в цепи, образуемой жидкостью в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами. Источником наводимой ЭДС является первичная обмотка питания электромагнитов. Для компенсации трансформаторной помехи принимают ряд мер [3, 14]:
1. Включают два преобразователя расхода по дифференциальной схеме так, чтобы полезные ЭДС складывались, а паразитные вычитались.
2. Используют компенсаторы с автоматическим уравновешиванием двух составляющих напряжения, различающихся по фазе.
3. В цепь усилителя включают фазочувствительный детектор, подавляющий паразитную ЭДС, сдвинутую на 90° относительно полезной.
4. Включают в цепь электродов катушку, расположенную в рабочем магнитном поле и поворачиващуюся до момента компенсации наводимой в ней паразитной ЭДС.
Наряду с трансформаторной помехой имеет место помеха от емкостного эффекта, возникающего из-за большой разности потенциалов между катушкой питания электромагнитов и электродами и паразитной емкости между ними (соединительные провода и т. п.). Для устранения емкостного эффекта необходима тщательная экранировка. Кроме указанных помех имеются помехи от изменения частоты тока, питающего катушки электромагнитов, влияния температуры окружающей среды, внешних наводок.
Несмотря на наличие отмеченных помех и трудность их устранения, в промышленных условиях нашли применение главным образом электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем.
Электромагнитные расходомеры обладают рядом преимуществ. Прежде всего при измерении объемного расхода жидкости нет необходимости в измерении плотности потока. Кроме того, на показания расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, а также параметры измеряемого потока жидкости (давление, температура, вязкость, плотность и т. п.), если они не изменяют ее электропроводности.
Электромагнитные расходомеры позволяют проводить измерение без потери давления, а также проводить измерения в стерильных объектах.
Электромагнитные расходомеры практически безынерционны и поэтому могут быть использованы при измерении быстро меняющихся потоков.
Выпускаемые в настоящее время электромагнитные расходомеры позволяют измерять расход в широком диапазоне 1—2500 м3/ч для трубопроводов с диаметром 10—1000 мм при линейной скорости движения 0,6—10 м/с. Классы точности расходомеров 1,0—2,5 (при ежедневной корректировке нуля прибора). Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхода газов и жидкостей с электропроводимостью менее 10~5—10~3 См/м, например нефтепродуктов, спиртов и т. д.