5.4. Электромагнитные расходомеры

Для измерения расходов различного рода пульп, суспензий, зашламленных и агрессивных жидкостей успешно применяются электромагнитные расходомеры.

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на измерении пропорциональной расходу ЭДС, индуктирован­ной в потоке электропроводной жидкости под действием внеш­него магнитного поля в соответствии с законом электромагнит­ной индукции. Если немагнитный трубопровод с внутренним диаметром D и протекающей по нему жидкостью расположен в постоянном магнитном поле, а система электродов-провод­ников расположена перпенди­кулярно линиям магнитного поля (в противном случае не­обходимо учесть угол их вза­имного расположения), то ин­дуктируемая ЭДС в постоян­ном магнитном поле

E = BvD = ~Q, (5-25)

где В — магнитная индукция; v — скорость движения жидкости; Q — объемный расход жидкости;

в переменном магнитном поле с индукцией В = £_max sin cof

£ = t;DB_maxsin(ur= ^4gm_a^sinof q ₍₅.₂6)

Электропроводность жидкости должна быть не менее Ю^-5— 10~⁶ См/м (что несколько ниже проводимости водопроводной воды), хотя рассматриваемый принцип позволяет измерять рас­ход жидкостей с электропроводностью до Ю^-15 См/м.

Устройство электромагнитного расходомера изображено на рис. 5-8. Первичный измерительный преобразователь ПИП вы­полняется обычно в виде отрезка металлической немагнитной трубы которую с помощью фланцевого соединения устанав­ливают в трубопровод с исследуемым веществом 4. Внутренняя поверхность трубы армирована электроизоляционным материа­лом 2 (резиной, эмалью, фторопластом, стеклопластиком и др.). Измерительные электроды 3 расположены в диаметральной пер­пендикулярной магнитным силовым линиям плоскости запод­лицо с армировкой и также тщательно изолируются от несущей трубы. Постоянный магнит или электромагнит 5 с катушкой 6 (последний питается переменным напряжением U_n от стабили­затора напряжения СП) находятся снаружи трубы и экраниро­ваны.

Измерительный прибор ИП для измерения выходного сиг­нала с преобразователя имеет равномерную шкалу

Q = &, = -?£-£. (5-27)

Он выбирается с большим выходным сопротивлением

ж,

где R ж — сопротивление жидкости между электродами.

Чем больше отношение Рвх/Рж> тем выше точность расходо­мера в большом диапазоне изменения температуры, плотности, вязкости и электропроводности жидкости.

В зависимости от характера пронизывающего жидкость маг­нитного поля конструкции датчиков и погрешности электромаг­нитных расходомеров будут различными.

При постоянных магнитных полях трудность заключается в устранении ЭДС поляризации электродов и в сложности изме­рения (например, усиления) малых ЭДС постоянного тока. Рас­ходомеры с постоянным магнитным полем целесообразно ис­пользовать для пульсирующих потоков жидкости, расходов жидких металлов или при кратковременных измерениях.

При использовании электромагнитных расходомеров с пере­менным магнитным полем основные затруднения состоят в устра­нении различных помех: паразитных внешних помех и транс­форматорных помех от переменного поля самого электромагнита в преобразователе. Для предотвращения первых используют экранирование. Трансформаторные помехи устраняют несколь­кими способами:

1. Выводы одного из электродов замыкают на низкоомный делитель напряжения. Напряжение с преобразователя снимают с делителя и другого электрода. Изменяя положение движка, находят точку, потенциал которой в максимальной степени бли­зок или равен потенциалу другого электрода. Таким образом устраняют попадание трансформаторных помех на вход измери­тельной цепи прибора.

2. Соединительные провода располагают в плоскости парал­лельной магнитным силовым линиям.

3. Используют разнообразные компенсационные или фазо-чувствительные схемы [20].

4. Применяют два преобразователя расходов, включенных по дифференциальной схеме так, чтобы трансформаторы ЭДС, равные по величине, компенсировали друг друга, а полезные ЭДС складывались; при этом увеличивается чувствительность измерения расходомера. Этот способ является одним из ради­кальных, однако из-за сложности он не нашел распространения.

При использовании переменного магнитного поля особенно низких частот полностью не исключается влияние поляризации-Кроме того, переменное магнитное поле в электромагнитном преобразователе расходомеров вызывает появление вихревых токов Фуко, влияние которых на функцию преобразования пре­небрежимо мало до тех пор, пока не проявляется неоднород­ность свойств магнитной системы или жидкости.

Источниками погрешностей для электромагнитных преобра­зователей являются также изменение напряжения и частоты питающего напряжения, температуры окружающей среды, внеш­ние наводки и помехи, внутренние тепловые шумы и наличие краевых эффектов. Измерение малой переменной ЭДС преобра-

Рис. 5-9

зователей, которая составляет 1—2 мВ, при необходимости обес­печить большое выходное сопротивление производится сравни­тельно сложными измерительными устройствами, основанными, как правило, на методе уравновешивающего преобразования.

Все электромагнитные расходомеры требуют индивидуаль­ной градуировки, которая заводом-изготовителем выполняется на воде. Если метрологическая поверка и градуировка этих при­боров невозможна на рабочих средах (особенно в производ­ственных условиях), то электромагнитные расходомеры, так же как ротаметры, являются индикаторами расхода. Несмотря на перечисленные трудности, современные модификации электро­магнитных расходомеров (ИР-11М, ИР-51, ИР-54) отличаются высокими метрологическими характеристиками и широкой об­ластью применимости (см. табл. 5-1).

На рис. 5-9 приведена блок-схема электромагнитного расхо­домера ИР-51.

Компенсация трансформаторной помехи производится на са­мом преобразователе. Для этого выводы от одного из электро­дов монтируются симметрично расположенными проводниками, замкнутыми на низкоомный потенциометр R2. Напряжение, по­лучаемое от датчика, снимается с движка потенциометра и дру­гого электрода. По экранированному кабелю ЭДС полезного сигнала подается на вход измерительного блока.

Входной трансформатор Тр2 усилителя (коэффициент транс­формации 1:1) предназначен для перехода на несимметричную схему усилия и обеспечивает частотную избирательность сигнала на /=50 Гц.

После общего усилителя 1 имеются два параллельных ка­нала, каждый из которых состоит из демодулирующего устрой­ства Д1 или Д2, усилителя 2 или 3 и модулятора Ml или М2 с преобразователями Холла ЭХ1 или ЭХ2. Один из каналов слу­жит для измерения полезного сигнала, второй для подавления трансформаторной ЭДС. В первом канале входной сигнал с уси­лителя / поступает на фазочувствительный демодулятор Д1, а затем через усилитель 3 в виде постоянного тока 0—5 мА представляется на выходном миллиамперметре мА в относитель­ных значениях расхода (0—100 %). В цепь обратного преобра­зования включен элемент Холла ЭХ1, расположенный в воздуш­ном зазоре магнита. Он преобразует постоянный ток в перемен­ное напряжение, компенсирующее через Тр2 входное измеряемое напряжение. Во втором канале управляющее напряжение, сдви­нутое по фазе на 90° по отношению к полезному сигналу, обес­печивает выделение постоянного тока, пропорционального транс­форматорной помехе. В элементе Холла ЭХ2 оно преобразуется в переменное напряжение для компенсации указанной помехи частотой 50 Гц во входной цепи через трансформатор Тр2 об­ратной связи.

Основная приведенная погрешность расходомера ИР-51 у = = ±1 % от верхнего предела измерения. Температура измеряе­мой среды может колебаться в пределах ± (40—150) °С.

Рассмотренные характеристики и устройства электромагнит­ных расходомеров имеют следующие преимущества по сравне­нию с другими типами промышленных расходомеров: широкий диапазон измеряемых расходов от 1 до 2500 м³/ч для трубопро­водов с диаметром от 2 до 5000 мм и скоростей от 0,5 до 10 м/с; линейная шкала и малые погрешности измерений (±1,5% Д^ля скоростей веществ до 1,5 м/с и ±1,0 % свыше 1,5 м/с); высокое быстродействие; возможность измерения расхода различных сред вплоть до пульп и жидких металлов (см. табл. 5-1). Отсутствие внутри преобразователей выступающих частей, сужений или изменения профиля сечения канала исключает их засорение, застаивание измеряемых веществ.

Эти расходомеры широко применяются в целлюлозно-бумаж­ном производстве, где задача измерения расходов, как известно, осложняется наличием пульп, суспензий, эмульсий с повышен­ной агрессивностью и абразивными свойствами. В связи с этим _в эксплуатации электромагнитные расходомеры зарекомендо­вали себя положительно в том случае, когда их выбор, градуи­ровка и эксплуатация проводились в соответствии с предусмот­ренными для них правилами.

При эксплуатации этих расходомеров следует обратить вни­мание на ряд обстоятельств:

1. Очень важно использовать типы и модификации расходо- меров, предназначенные для конкретных условий. В первую оче- редь это связано с выбором материала покрытия внутренней поверхности трубопровода датчика, в противном случае проис- ходит «снос» покрытия.

При выборе материала покрытия можно руководствоваться следующими соображениями. Наиболее распространенным ма­териалом покрытия являются различные марки резины. При этом к основной составляющей ее части — каучуку возможно добавление различных наполнителей. Ввиду сравнительно боль­шой толщины и упругости резиновые покрытия почти невоспри­имчивы к случайным повреждениям при монтаже или к цара­пинам при прохождении по трубопроводу инородных предметов. Резина используется в основном для работы в условиях сильного абразивного износа, но ее применяют и для защиты от химиче­ского воздействия при малоагрессивных измеряемых веществах. Существенный недостаток резины — низкая максимально допу­стимая температура (70 °С) и незначительные допускаемые ее перепады.

Материалом покрытия трубопровода датчика может служить кислостойкая эмаль. Эмаль рекомендуется для всех кислот (кроме плавиковой HF), нейтральных сред и жидкостей, нали­пающих на стенки или дающих устойчивые осадки. Температур­ная стойкость этого покрытия позволяет использовать его для сред с температурой, достигающей 150 °С. Данную эмаль нельзя использовать для работы со щелочными средами при резких колебаниях их температуры.

Покрытия из фторопласта и эпоксидных смол соединяют в себе высокую теплостойкость (до 150 °С), химическую стой­кость и устойчивость к механическому износу.

Наилучшими свойствами по теплостойкости, химической и механической прочности обладает покрытие из стеклопластика. Это покрытие применяется в датчиках при измерении расхода магниевого молока для бисульфитной варки.

2. Необходимо правильно устанавливать датчики электро- магнитных расходомеров на трубопроводах. В эксплуатации часто наблюдается засорение трубопровода в датчике и вибра- ция стрелки прибора. Засорение приводит к уменьшению чув- ствительности, а вибрация создает неопределенность отсчета Расхода.