Тема 15. Безконтактні витратоміри

- Електромагнітні витратоміри

Принцип дії електромагнітних витратомірів грунтується на

законі електромагнітної індукції – законі Фарадея, згідно якого,

в провіднику, який перетинає магнітні силові лінії, індукується

ЕРС, що є пропорційною швидкості переміщення даного

провідника.

Якщо використати в якості провідника потік

електропровідної рідини, що протікає між полюсами магніту і

виміряти неведену в рідині ЕРС, то можна визначити швидкість

потоку або об’ємну витрату рідини.

Схема електромагнітного витратоміра наведена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Схема електромагнітного витратоміра з

постійним магнітним полем

1 – трубопровід; 2, 3 – полюси магніту; 4 – електровимірювальний

прилад, шкала якого проградуйована в одиницях витрати

Трубопровід 1, виконаний з немагнітного матеріалу

(фторопласт, ебоніт тощо) з рідиною яка в ньому переміщується,

поміщено між полюсами 2 і 3 магніту (електромагніту)

перепендикулярно напрямку силових ліній магнітного поля. В

стінці трубопроводу діаметрально протилежно з внутрішньої

поверхні труби змонтовані вимірювальні електроди. Під дією

магнітного поля іони, що знаходяться в рідині, переміщуються і

віддають свої заряди вимірювальним електродам, створюючи на

148

^vcp ^{   ,              (15.2)}

них ЕРС E , яка є пропорційною швидкості потоку рідини. До

електродів підключено вимірювальний прилад 4, шкала якого

проградуйована в одиницях витрати.

Величина ЕРС E у випадку постійного магнітного поля,

визначиться з основного рівняння електромагнітної індукції

^E  Bdvcp ^{, (15.1)}

де B - магнітна індукція в зазорі між полюсами магніту; d -

^{внутрішній діаметр трубопровода (довжина провідника); v}cp ^-

середня швидкість потоку рідини.

^{Швидкість v}cp ^{можна визначити через об’ємну витрату Q}V

^QV

S

де S - внутрішня площа поперечного перерізу трубопроводу

( S 

 d ²

4

).

E 

 d

де k  - коефіцієнт пропорційності ( k 

 d

^{Підставивши в (15.1) значення v}cp ^{з (15.2), отримаємо}

4B

^QV ^{. (15.3)}

^{Оскільки} B  const ^і d  const ^{, то вираз (15.3) перепишеться}

^E  kQV ^{, (15.4)}

4B

).

З (15.4) видно, що при однорідному магнітному полі, ЕРС E

^{прямопропорційна об’ємній витраті Q}V ^.

На теперішній час, електромагнітні витратоміри

застосовують тільки для рідин з електричною провідністю не

нижче ніж 10⁻³ −10⁻⁵ См / м .

Основним недоліком електромагнітних витратомірів з

постійним магнітним полем є виникнення на електродах ЕРС

поляризації, що призводить до значних похибок вимірювань.

149

витрату  в  межах  від  1  до  2500   м  / год   для  трубопроводів

Паразитна ЕРС поляризації може бути різко зменшена при

застосуванні в якості магнітів електромагнітів, що живляться від

джерела змінного струму.

Електромагнітним витратомірам притаманно ряд переваг: на

покази не впливають зважені в рідині частинки і бульбашки

газу, а також тиск, температура, в’язкість і густина. Дані

витратоміри є практично безінерційними і можуть бути

застосовані при вимірюванні швидко змінних потоків.

Електромагнітні витратоміри дозволяють вимірювати

3

діаметром 10-1000 мм при лінійній щвидкості потоку

0, 6 −10, 0 м / с . Класи точності витратомірів 1,0 – 2,5.

- Калориметричні витратоміри

Принцип дії калориметричних витратомірів грунтується на

нагріванні потоку рідини чи газу і вимірюванні різниці

температур до і після нагрівача.

Схема калориметричного витратоміра наведена на рис.15.2.

Рис. 15.2. Схема калориметричного витратоміра

В трубопроводі (рис.15.2) встановлено нагрівач 3, на рівних

відстанях від центра якого знаходяться терморезистивні

^{термометри 1 і 2, які вимірюють температуру t}1 ^{потоку до}

^{нагрівача і температуру t}2 ^{після нього.}

Якщо знехтувати теплотою, що віддається потоком в

навколишнє середовище, то рівняння теплового балансу в

цьому випадку запишеться

^qt ^ kQM ^cp^{∆t , (15.5)}

150

^qt ^{ 0, 24I  R ,            (15.6)}

^де qt ^{- кількість теплоти, що віддається нагрівачем рідині чи}

газу; k - поправочний коефіцієнт на нерівномірність розподілу

^{температур по площі поперечного перерізу труби; Q}M ^{- масова}

^{витрата рідинни чи газу; c}p ^{- питома масова теплоємність при}

^{середньому значенні температури t  t}1 ^ t2 ^/ 2 ; ∆^{t - різниця}

^{температур середовища до і після нагрівача}  ^∆t  t2 ^− t1  ^.

В калориметричних витратомірах теплота до потоку рідини

підводиться звичайно електронагрівачем. В цьому випадку

2

де I та R - відповідно величина струму та опір

електронагрівача.

^{Із (15.5) і (15.6) масова витрата Q}M ^{визначиться як}

^{QM  0, 24I 2 R /}  ^kcp∆t  ^.

(15.7)

^{Отже із (15.7) видно, що витрата Q}M ^{визначається шляхом}

непрямого вимірювання на основі результатів прямих

вимірювань струму I , що проходить по обмотці нагрівача і

^{перепаду температур} ∆t ^.

- Ультразвукові витратоміри

Ультразвуковий (частота більше 20кГц) метод вимірювання

витрат грунтується на явищі зміщення звукових коливань

рухомим рідким середовищем.

З двох сторін трубопроводу, по якому рухється вода, під

кутом  встановлено п’єзометричні давачі даного витратоміра

(рис.15.3), які можуть перетворювати електричні імпульси в

акустичні і навпаки.

151

Рис. 15.3. Структурна схема акустичного витратоміра

Вимірювання швидкості потоку води відбувається

наступним чином.

^{Електричний імпульс з формувача }1 ^{надходить до давача}

^Д1 ^{, який перетворює його в акустичний сигнал (механічні}

коливання ультразвукової частоти). Даний сигнал проходить

^{через воду і сприймається давачем Д}2 ^{через час T}1 ^, який

визначиться як

^T1 ^

L

^c  ^v1

,                     (15.8)

^{де L - відстань між давачами Д} 1 ^{і Д}2 ^{; с - швидкість}

^{поширення ультразвукових коливань у воді; v}1 ^{ v cos ; v -}

швидкість потоку води.

Прийнятий акустичний сигнал перетворюється в

електричний, підсилюється у вимірювально-керуючому блоці

^{ВКБ і знову через }1 ^{дадходить до давача Д}1 ^{. В результаті}

цього виникає автоциркуляція імпульсів по контуру, з частотою

1

F

152

^{1   c  v}1

^F2 ^{    .              (15.10)}

^F1 ^{     . (15.9)}

^T1 ^L

Аналогічно відбувається автоциркуляція імпульсів і по

контуру, показаному пунктирними стрілками. При цьому давач

^Д2 ^{випромінює, а давач Д}1 ^{сприймає акустичні імпульси.}

^{Частота F}2 ^{циркуляції імпульсів в цьому контурі буде}

^c − v1

L

Вимірювально-керуючий блок (ВКБ) керує роботою

контурів і виділяє збільшену в 100 разів різницеву частоту ∆F

^{∆F  100} ^F1 2  ^ 100

− F

отримаємо

^2v1

L

^{При підстановці в (15.11) v}1 ^{ v cos}

.          (15.11)

^і L  d / sin  ^,

∆F  100

v

d

sin 2 .            (15.12)

При   45⁰ ,

∆F  100

v

d

.                   (15.13)

Оскільки v  

Q

S

(15.13), отримаємо

4Q

 d ²

, то підставивши значення швидкості в

Q  0, 0025 d ³∆F . (15.14)

Імпульси частотою ∆F надходять до частотно-аналогового

перетворювача ЧАП з уніфікованим струмовим сигналом

0...5 мА і на електронний лічильник імпульсів ЛІ, який фіксує

кількість води, що проходить через витратомір.

^{Похибка ультразвукових витратомірів складає близько} 2% ^.

153