1081

В соответствии с законом электромагнитной индукции при осесимметричном профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС

где B – индукция магнитного поля; vср – средняя скорость жидкости; D – длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы. Учитывая, что QО = D2vср/4, получаем

Отсюда следует, что ЭДС Е прямо пропорциональна измеряемому объемному расходу. Измерение наведенной ЭДС осуществляется измерительным прибором ИП, к которому предъявляются жесткие требования по значению его входного сопротивления Zи. Для обеспечения малого влияния внутреннего сопротивления преобразователя Zп необходимо выполнение соотношения

Внутреннее сопротивление преобразователя растет с уменьшением электропроводности жидкости, что вызывает необходимость увеличения Zи, однако этому препятствует емкостное сопротивление соединительных проводов, включенных параллельно Zи. Поэтому необходимость выполнения условия (9.15) накладывает ограничения на минимальную электропроводность измеряемой жидкости.

Значение ЭДС не зависит от температуры, вязкости и проводимости жидкости при условии, что проводимость превышает значение, указанное в

технических характеристиках(например, для Взлѐт – ЭР не менее 5*10-6

см/м.).

Применение постоянных магнитов 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 границах электродов создаются ЭДС, которые

301

в сумме образуют ЭДС поляризации, направленную против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную характеристику прибора и делает невозможной его стабильную работу.

Для исключения влияния статического электрического поля, возникающего между металлическими электродами в жидкости (электрохимический потенциал), и других случайных воздействий магнитное поле, формируемое катушками, периодически изменяется по определенному закону. Формирование импульсов тока в катушках индуктивности, снятие величины ЭДС с электродов, выделение полезного сигнала и преобразование его в последовательность выходных импульсов осуществляются электронным блоком, работающим под управлением микропроцессора.

Для снижения влияния эффекта электрохимической поляризации электродов, с одной стороны, и для исключения влияния на ЭДС изменения индукции, с другой, магнитное поле должно быть квазистационарным, т.е. оставаться в течение достаточно долгого времени (у датчика ПРЭМ-2 до 100 мс, у датчика ПРИМ до 60 мс) постоянным и при этом периодически изменять направление на противоположное. Измерение наведенной ЭДС производится в течение каждой из полуволн в стационарном режиме после окончания переходного процесса. В паузе между полуволнами производится автоматическая коррекция нуля преобразователя, в т.ч. фиксируется электрохимический потенциал на электродах.

Сигнал от первичного преобразователя расхода имеет малую амплитуду (от единиц микровольт) при низком соотношении сигнал / шум. Поэтому применяются специальные схемотехнические и конструктивные решения, в частности, для связи с электронным блоком применяется витая пара в экране.

Ключи возбуждения индуктора формируют рабочий ток индуктора в последовательности:

–«положительное» направление тока;

–«ноль» тока;

–«отрицательное» направление тока;

–«ноль» тока.

302

Ключи спроектированы так, что при включении быстро «накачивают» индуктивность катушек за счет энергии, запасенной в конденсаторе, и при напряжении большем, чем рабочее. При выключении структура ключей позволяет аккумулировать на конденсаторе энергию, выделяющуюся при коллапсе поля в индукторе, чтобы использовать ее в следующем цикле. В результате снижается токопотребление преобразователя, т.к. энергия тратится только на рассеивание на активном сопротивлении индуктора.

Усилитель сигналов ЭДС с электродов компенсирует электрохимический потенциал, доводит уровень до 3 В и передает его на АЦП.

Микропроцессорный блок работает по программе, записанной во FLASH-памяти:

–управление ключами возбуждения индуктора;

–оцифровка, усреднение, фильтрация входного сигнала;

–формирование внутреннего сигнала по контрольным точкам расхода, измеренного по эталонному прибору при градуировке преобразователя на поверочной установке. Возможно хранение до 32 контрольных точек;

–формирование выходной импульсной последовательности, пропорциональной расходу.

В последнее время появились электромагнитные расходомеры РМ-5-Б1 (один преобразователь расхода), РМ – 5-Б3 (три преобразователя расхода), позволяющие измерять объѐм и массу электропроводящих жидкостей в напорных трубопроводах большого диаметра

(D =300÷5000 мм).

В расходомере РМ – 5-Б3 три преобразователя расхода располо-

жены под углом 120в одном сечении трубы, что позволяет повысить точность, распознать неполное заполнение трубы.

Индуктор и электроды расположены в торце преобразователя расхода. Торец располагают на расстоянии 0,242R от стенки трубы, где скорость потока равна средней скорости жидкости по сечению.

Структура расходомера Взлет – ЭР представлена на рис. 9.9.

303

На импульсный выход подается последовательность импульсов

сзаданным весом (число – импульсный код, пропорциональный расходу) или частота, пропорциональная расходу.

Впервом случае возможна установка коэффициента преобразования от 0,01 до 10000 импульсов/л с длительностью импульса от 1 до 50 мс. Импульсы следуют в пачке через интервал измерения 0,5 с. Во втором случае выходная частота от 7 до 2290 Гц пропорциональна расходу.

RS-232 стандартного типа (S до 15 м, V = 1200÷19200 бод)

свозможностью как безадресного, так и адресного запроса, а также введения задержки при адресном запросе. Последнее позволяет

получать не только текущие значения измеряемых параметров, а также изменять установочные параметры, используя полудуплексный режим.

По заказу могут измеряться расход и объем реверсируемой жидкости в каждом направлении. Длина прямолинейных участков минимальна для расходометров (3 Ду до и 2 Ду после места установки).

Преобразователь ППР обеспечивает погрешность измерений 1 % в диапазоне 200:1 и 2 % в диапазоне 500:1. Электромагнитные теплосчетчики ТС-07 и расходомеры ИПРЭ-7 на основе ППР за три года не имели ни одного отказа (3,5 тыс. экземпляров).

Достоинства электромагнитных расходомеров:

–широкий диапазон (Д = 100:1 и более);

–высокая точность;

–отсутствие сопротивления потоку.

Недостаток – критичность к отложениям на поверхности трубы. Электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов затрудне-

но или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессивных, абразивных и вязких жидкостей и пульп, измерении расхода жидких металлов.

К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводности

305

измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходомеров. Другим недостатком расходомеров является сложность измерительной схемы, подверженность ее влиянию многих помех, что затрудняет изготовление расходомеров класса более 1 и усложняет эксплуатацию. Промышленностью выпускаются несколько типов индукционных расходомеров классов 1 и 1,5. Верхние пределы измерения Qв.п равны 0,3 5000 м3/ч.

9.4.4. Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковой метод измерения расхода основан на зависимости скорости ультразвука относительно трубы от скорости потока. Верхние пределы измерения Qв.п – 0,1 10 м3/с, точность – 0,5 1,0 %.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что, во-первых, скорость звука в среде зависит от ее физи- ко-химических свойств, температуры, давления и, во-вторых, она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в среде неподвижной. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения специальных методов компенсации погрешностей.

Ультразвуковые расходомеры применяются главным образом для измерения расхода жидкостей. Основными элементами преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры можно подразделить на две группы.

К первой группе относятся расходомеры с излучением, перпендикулярным потоку (рис. 9.9): пьезоэлемент 1, возбуждаемый генератором 2, создает ультразвуковые колебания, направленные перпендикулярно оси трубы.

По мере увеличения средней скорости потока vср ультразвуковой луч все более отклоняется по направлению скорости v. Угол отклонения луча будет определяться выражением

306

arcsin(vcp / c) vcp / c , (9.16)

где c – скорость ультразвука в неподвижной среде.

С увеличением vср количество энергии, поступающей на пьезоэлемент 3, уменьшается, а поступающей на пьезоэлемент 4, растет и, таким образом, разностный сигнал, поступающий на вход усилителя 5, увеличивается. Расходомеры с такой схемой просты по устройству, но обладают ограниченной точностью из-за малого отклонения луча.

Наибольшее распространение получили расходомеры второй группы, основанные на измерении скорости

прохождения ультразвуковых импульсов между излучателем и приемником в направлении потока контролируемой среды и против него (расходомеры с излучением по потоку на основе эффекта Доплера ). При этом обычно векторы vср и c направлены под углом друг к дру-

гу, причем чем меньше , тем чувствительнее расходомер. Расходомеры могут выполняться по одноканальной (рис. 9.10, а, в)

или двухканальной (рис. 9.10, б, г) схеме. В одноканальной схеме каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и в режиме приемника, что обеспечивается системой переключателей. В двухканальной схеме каждый пьезоэлемент работает только в одном определенном режиме. Двухканальные схемы проще одноканальных, (нет сложных схем переключения), но точность их меньше вследствие возможной акустической несимметрии обоих каналов.

Для чистых сред пьезоэлементы могут устанавливаться в специальных карманах (см. рис. 9.10, а, б). Для загрязненных сред применение карманов нежелательно. В этом случае либо карманы заполняются твердым материалом – звукопроводом (см. рис. 9.10, в), либо

307

применяются излучатели и приемники, не требующие нарушения целостности трубы (см. рис. 9.9, г). В последних двух схемах ультразвуковой луч преломляется на границах сред, что в ряде схем используется для компенсации влияния изменений температуры среды на показания.

Рис. 9.10. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров с излучением по потоку; а, в – одноканальные; б, г – двухканальные

Для большей точности устанавливают 2- или 4-лучевые одновременно работающие пары «излучатель – приемник», достигая точности 0,5 в диапазоне 200. Данная схема реализована в расходомерах УСРВ-20 (2 канала измерений), УСРВ-40 (4 канала) (общее название «Взлет-МР»).

Принцип действия расходомеров с излучением по потоку заключается в использовании разницы времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него.

Действительно, если обозначить расстояние между излучателем и приемником через L и угол между векторами скоростей потока vср и ультразвука c через , то время распространения импульса по потоку

где vL – скорость среды, усредненная по длине пути луча от излучателя до приемника.

Время прохождения импульса против потока

308

Следовательно, разность времен прохождения импульсов

Таким образом, показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости потока vL, усредненной по ходу луча, а не по диаметру трубы, что является характерной особенностью расходомеров с излучением по потоку. В то же время для определения объемного расхода требуется измерение скорости vср, усредненной по диаметру трубы. Для трубопроводов круглого сечения даже для осесимметричных потоков vср vL и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.

По методу определения ультразвуковые расходомеры подразделяются на времяимпульсные, частотные и фазовые.

Времяимпульсные расходомеры – периодически производится измерение разности времен прохождения очень коротких импульсов длительностью 0,1 0,2 мкс, по которой затем в соответствии с (9.19) и (9.20) определяется объемный расход QО.

Измеряемое время очень мало (10–6 10–7 с) даже при максимальном расходе, причем измерять его необходимо с погрешностью 10–8 10–9 с. Это вызывает необходимость применения сложных электронных схем. Кроме того, показания таких расходомеров зависят от изменения c. Эти обстоятельства объясняют редкое применение таких расходомеров по сравнению с другими типами.

Частотные расходомеры – здесь каждый последующий импульс посылается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного пьезоэлемента. Очевидно, что если время между импульсами равно , то частота следования их f = 1/ . Разность час-

309

тот следования импульсов по потоку и против него определяется дифференциальной схемой и связана со скоростью и объемным расходом. Показания частотных расходомеров не зависят от скорости распространения ультразвука в неподвижной среде, а следовательно, и от физико-химических свойств среды. Это является важным достоинством частотных расходомеров.

Фазовые расходомеры – измеряется разность фаз ультразвуковых колебаний частотой f, распространяющихся по потоку и против него. Недостатком этих расходомеров является зависимость показаний от изменения c.

310