4. Электромагнитные (индукционные) расходомеры

Расходомер состоит из первичного преобразователя расхода и измерительного устройства или передающего преобразователя. Первичный преобразователь (датчик) представляет собой изготовленный из немагнитного материала (сталь 12Х18Н10Т) участок трубы 1 (рис.19), расположенный между полюсами 2 электромагнита, причем магнитное поле направлено перпендикулярно к потоку жидкости. Труба изнутри покрыта изоляционным материалом. Измеряемая жидкость при протекании по трубе пересекает силовые линии магнитного поля. При этом в жидкости, как в движущемся проводнике, индуктируется ЭДС, пропорциональная средней скорости потока, а следовательно, и объемному расходу жидкости. Индуктируемая ЭДС снимается двумя электродами 3, введенными диаметрально в поперечном сечении трубопровода, усиливается и измеряется вторичным прибором. У расходомеров типа ИР-61 и 4РИМ в канале расходомера создается однородное магнитное поле. В расходомере типа "Индукция-51" распределение магнитного поля выполнено по специальному закону: вблизи электродов оно приблизительно в два раза слабее, чем в центре канала. Такое магнитное поле уменьшает чувствительность прибора к искажению осевой симметрии распределения скорости потока и позволяет сократить длину измерительного участка трубопровода. 

Рис.19.  Принципиальная схема электромагнитного расходомера: 1-труба; 2-полюса электромагнитные; 3-электроды.

Каждый преобразователь может быть отградуирован на один из пределов измерения, указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения равен нулю. Первичный преобразователь расхода может устанавливаться на горизонтальном, вертикальном или наклонном трубопроводе при условии, что весь объем трубы преобразователя заполнен измеряемой средой. Условный диаметр преобразователя должен быть равен диаметру трубопровода. Допускается установка преобразователя расхода на трубопроводе с меньшим диаметром через конические патрубки, при этом перед преобразователем должен быть прямолинейный участок трубы длиной не менее пяти, а после него длиной не менее трех диаметров. Питание расходомеров переменным током напряжением 220 В.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РИСУНОК ДИМОНСТРИРУЮЩИЙ РАБОТУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСХОДОМЕРА

Рис. 20.  Схема работы электромагнитного расходомера:

5. Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры отличаются быстродействием, помехоустойчивостью, высокой точностью, большим диапазоном измерения. Ультразвуковой расходомер УЗР-В предназначен для автоматического измерения объемного количества и объемного расхода жидкостей с коэффициентом затухания акустических волн на частоте 1 МГц не более 7 дБ/м. Принцип действия прибора основан на изменении скорости распространения ультразвукового сигнала в движущейся среде в зависимости от значения составляющей скорости этой среды в направлении распространения ультразвукового сигнала. По выбору заказчика каждый расходомер может быть настроен на один из пределов измерения, указанных для соответствующего диаметра. Нижний предел измерения равен нулю. Температура контролируемой жидкости от -60 до +120 °С, давление не более 6 МПа, скорость не менее 0,3 см/с. Расходомер имеет частотный выход и 2 выхода постоянного тока 0-5 мА на нагрузку не более 2,5 кОм. Погрешность измерения в режиме измерения расхода по частотному выходу не более 0,5 %, по токовому выходу не более 1,0 %, в режиме измерения количества - 0,3 %. В комплект расходомера входят измерительно-управляющий прибор и два пьезодатчика. Первичным преобразователем ультразвукового расходомера является отрезок трубы, на котором под углом a к ее оси установлены два пьезоэлектрических датчика (рис.21). При сжатии и растяжении в определенных направлениях пьезоэлементов на их поверхностях возникают электрические заряды. Если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из этих поверхностей будет больше напряжения. Это явление называется обратным пьезоэффектом. Оно лежит в основе работы излучателей ультразвуковых колебании, преобразующих переменное электрическое напряжение в механические колебания той же частоты. Приемники, преобразующие эти колебания в переменное электрическое напряжение, работают на прямом пьезоэффекте. Каждый из двух пьезоэлементов по очереди является излучающим и приемным, с помощью высокочастотных кабелей они соединяются с измерительно-управляющим прибором.

Рис.21. Структурная схема ультразвукового расходомера УЗР-8

Основным функциональным узлом измерительно-управляющего прибора 2 является субпанель измерения 1, которая содержит два синхрокольца. Импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 3 поступает на пьезоэлектрический первичный преобразователь 1, который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Этот сигнал проходит через контролируемую среду и принимается пьезоэлектрическим датчиком 2 через время, зависящее от расстояния между датчиками L и разности с-1, где с - скорость ультразвука в контролируемой среде;1 - проекция вектора скорости v контролируемой среды на направление распространения ультразвукового сигнала. Принятый ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь запускающих импульсов 3 который вновь формирует импульс, поступающий на преобразователь 1. Процесс прохождения сигнала повторяется, благодаря чему возникает автоциркуляция импульсов в первом (ведущем) синхрокольце. Аналогично работает второе синхрокольцо. В этом случае импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 5 поступает на пьезоэлектрический преобразователь 2, который излучает короткий ультразвуковой сигнал. Этот сигнал проходит через контролируемую среду и принимается пьезодатчиком 1 через время, зависящее от расстояния между датчиками и суммы с + 1. Принятый пьезодатчиком 1 ультразвуковой импульс усиливается блоком 4 и поступает на формирователь запускающих импульсов 5, который вновь формирует импульс, поступающий на пьезоэлектрический преобразователь 2. В результате повторе-ния процесса прохождения сигналов возникает автоциркуляция импульсов во втором (ведомом) синхрокольце. Оба синхрокольца одновременно работают в одном электроакустическом канале. Отличие ведомого синхрокольца от ведущего состоит в том, что в состав формирователя импульсов 5 входит схема контроля совпадения рабочих импульсов обоих синхроколец и восстановления работы ведомого синхрокольца со сдвигом на полпериода. Работой синхроколец управляет блок 6, обеспечивающий необходимую их синхронизацию. С помощью системы автоподстройки блок 6 управляет работой генераторов импульсов 7 и 8. Импульсы с выходов управляемых генераторов 7 и 8 связаны по частоте и фазе с импульсами ведущего и ведомого синхроколец, но частоты следования их выше частот следования импульсов синхроколец в 200 раз. Последовательности импульсов от управляемых генераторов 7 и 8 поступают на смеситель 9, выделяющий разностную частоту, которая линейно зависит от скорости жидкости u в трубопроводе и не зависит от скорости ультразвука в контролируемой среде, а значит не зависит от изменения ее физических свойств.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РИСУНОК РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

Рис.22. Схема работы ультразвукового расходомера УЗР-8

Последовательность импульсов разностной частоты с выхода смесителя 9 через масштабный преобразователь 10 подается на аналоговый преобразователь 12, который преобразует частоту в аналоговый сигнал, поступающий на стрелочный индикатор расхода 13. 6-разрядный электромеханический счетчик импульсов 11 позволяет контролировать количество жидкости, прошедшей по трубопроводу. В приборе имеется система встроенного контроля, обеспечивающая индикацию исправной работы, нарушения работы прибора и опорожнения трубопровода. Максимальное удаление пьезоэлектрических датчиков от измерительно-управляющего прибора - 150 м, для монтажа датчиков поставляется установочный комплект. Питание прибора переменным током напряжением 220 В частотой 50 Гц. Потребляемая мощность не более 50 В*А. Расходомеры предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -10 до +45 °С и относительной влажности до 80 %. Габаритные размеры измерительно-управляющего прибора 400х355х175 мм, масса 12 кг. Прибор имеет настольную конструкцию, на его передней панели расположены стрелочный индикатор мгновенного расхода, электромеханический счетчик количества воды, индикатор системы встроенного контроля. В месте установки расходомера должен быть прямой участок трубы длиной не менее 5 диаметров до первичного преобразователя и не менее 3 диаметров после него.