книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

Г л а в а 15

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

15.1.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Воснове электромагнитных расходомеров лежит взаимодей­ ствие движущейся электропроводной жидкости с магнитным по­ лем, подчиняющееся закону электромагнитной индукции.

Основное применение получили такие электромагнитные рас­ ходомеры, у которых измеряется ЭДС, индуцируемая в жидко­ сти при пересечении ею магнитного поля. Для этого (рис. 172)

вучасток 2 трубопровода, изготовленный из немагнитного мате­ риала, покрытого внутри неэлектропроводной изоляцией и поме­ щенного между полюсами 1 и 4 магнита или электромагнита, вводятся два электрода 3 и 5 в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на элек­ тродах 3 и 5 определяется уравнением

Е= BDv = 4BQQ/nD,

где В — магнитная индукция; D — расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; v и QQ — средняя скорость и объемный расход жидкости.

Таким образом, измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объемному расходу Qq. Для учета краевых эф­ фектов, вызываемых неоднородностью магнитного поля и шун­ тирующим действием трубы, уравнение умножается на попра­ вочные коэффициенты kMи ки, обычно весьма близкие к единице.

При измерении расхода расплавленных металлов применяется постоянное магнитное поле. При измерении же расхода обычных жидкостей с ионной проводимостью во избежание поляризации электродов применяют переменное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. В случае питания их то­ ком промышленной частоты f поле имеет синусоидальную форму и его индукция В = = Bmax sin 2nft. В этом случае ЭДС, пропорци­ ональная расходу, изменяется по уравнению

302

метра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, необхо­ димость в меньших длинах прямых участков труб, чем у других расходомеров, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Но электромаг­ нитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и па­ ра, а также жидкостей диэлектриков, таких, как спирты и неф­ тепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у кото­ рых удельная электрическая проводимость не менее 10 3 См/м. Мож­ но измерить водопроводную воду, щелочи, кислоты и другие жидкости, применяемые в химической промышленности, соки, сиропы и разнообразные жидкости в пищевой промышленности, различные водные растворы в алюминиевой и других отраслях промышленности, сточные жидкости и т. п. С помощью особых электрических измерительных схем предел применения рассмат­ риваемых расходомеров повышен до 10-5 См/м.

Помимо измерения расхода различных жидкостей и пульп с ионной проводимостью, а также расхода расплавленных метал­ лов электромагнитный метод применяется для измерения расхода крови в медицинской и физиологической практике, а также для измерения скорости морских течений и воды в открытых руслах.

15.2. ВЛИЯНИЕ ЭПЮРЫ СКОРОСТЕЙ

При осесимметричном потоке показания электромагнитного расходомера при одном и том же расходе будут приблизительно одинаковы как при турбулентном, так и при ламинарном движе­ нии. Это большое преимущество данных расходомеров по срав­ нению со многими другими. Оно результат действия циркуля­ ционных токов (рис. 173) между центральной зоной больших ско­ ростей и периферией, которые снижают ЭДС на электродах на­ столько, насколько она могла бы возрасти от увеличения скоростей в центральной зоне [65]. На рис. 174 кроме циркуляционных то­ ков изображены линии равных потенциалов — сплошные для ламинарного и штриховые для турбулентного движения.

При нарушении осевой симметрии потока появляется влияние деформации поля скоростей на показания электромагнитных рас­ ходомеров, хотя и в меньшей мере, чем у расходомеров с сужаю­ щими устройствами. Это влияние обусловлено тем, что вклад от­ дельной точки жидкости в создание разности потенциалов на эле­ ктродах тем больше, чем ближе расположена эта точка к тому или другому электроду. Это видно из рис. 174, а, б, на котором изображены изолинии весовой функции W , объединяющие точки равного веса или вклада в разность потенциалов на электродах. На рис. 174, а построены изолинии функции W по уравнению

303

Рис. 173. Эквипотенциальные линии и линии циркуляционных токов

которое дает зависимость W от декартовых (х 9 у) или полярных (г, 0) координат любой точки поперечного сечения трубы. Это уравнение получено только при решении двумерной задачи для плоскости электродов [32]. На рис. 174, б даны эксперименталь­ но полученные линии W.

Проведенные опыты [10, 60] по определению влияния мест­ ных сопротивлений показали, что даже при очень сильных воз-

0Т85

/ 1 2 f 2' 0 ( ]

0 . 8 5 ^ ~ ^ У Л

/

0.5

Рис. 174. Изолинии весовой функции: а — теоретические [32]; б — экспериментальные

304

мущениях потока, создаваемых дроссельным клапаном, прикры­ тым на 75 % [12], или перегородкой с небольшим отверстием у края [4, 8], достаточно прямого участка трубы длиной Z >(20-5-22) D для устранения влияния деформации потока на показания. При возмущениях же, вызываемых коленом, необходимая длина I не превосходит (5-s-lO) £>, причем расстояние I следует считать не от присоединительного фланца преобразователя расходомера, а от плоскости, в которой расположены электроды. И лишь когда с помощью перегородки с отверстием у края, устанавливаемой на расстоянии (2-5-3) D от электродов, весь поток направляется к од­ ному из электродов, показания возрастали в два раза, а при пово­ роте перегородки на 90° уменьшался тоже в два раза по сравне­ нию с недеформированным потоком [61]. Для возможности умень­ шения указанных значений длин прямых участков I предложено индукцию В магнитного поля в плоскости электродов распола­ гать по закону BW = const (см. далее).

Если канал преобразователя расхода сделать не круглым, а прямоугольным, и иметь электроды в виде прямоугольных пла­ стин, равных по ширине боковым стенкам канала, параллельных магнитному полю, то никакая деформация потока не будет отра­ жаться на показаниях расходомера [18, 53, 66] вследствие усред­ няющего действия пластинчатых электродов. Кроме того, изме­ нением соотношения сторон прямоугольного канала при одной

итой же площади проходного сечения и той же магнитодвижу­ щей силе электромагнита можно увеличить индукцию поля за счет уменьшения междужелезного зазора магнитной системы. Рас­ ходомеры с прямоугольным каналом целесообразны для конт­ рольных и образцовых приборов [18], от которых требуется по­ вышенная точность измерения. При небольших диаметрах труб (менее 10-20 мм) их иногда применяют в лабораторной практике

ив оросительных системах [51].

15.3.ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПРОХОДНОГО СЕЧЕНИЯ ТРУБЫ И КОНЦЕВЫХ ЭФФЕКТОВ

Впроцессе эксплуатации возможно уменьшение проходного сечения трубопровода осадками, выпадающими из жидкости. При этом иногда происходит смолообразование и карамелизация сте­ нок трубы. Если осадки расположены равномерно по всей стенке трубы в виде концентрического слоя и проводимость последнего будет равна проводимости жидкости, то показания прибора изме­ няться не будут вследствие независимости показаний электро­ магнитного расходомера от числа Рейнольдса и характера эпюры скоростей при осесимметричном потоке. Но обычно осадок уп­ лотняется и тогда его проводимость у0 будет меньше проводимос­ ти жидкости у* Это вызовет увеличение напряжения на электро­ дах вследствие уменьшения шунтирующего действия слоя ОСад-

Рис. 175. Влияние конечной длины магнитного поля

ков. Значение поправочного коэффициента при концентрически расположенном слое осадков определяется [20] уравнением

k = 2г2 [(г2 - г2) + (Y0 / у)(гт2 - г02)] -1 ,

где гт и г0 — внутренние радиусы трубопровода и концентриче­ ского слоя осадков.

Подбором входного сопротивления измерительной цепи мож­ но в значительной мере ослабить влияние осадков на показания прибора. Целесообразно также преобразователь расхода устанав­ ливать на вертикальном участке трубопровода. Это будет препят­ ствовать неравномерному выпадению осадка.

Концевые эффекты — результат ограниченности размеров маг­ нитного поля и изолирующей футеровки в преобразователе рас­ хода [62]. Как показано схематически на рис. 175, а, под влияни­ ем градиента магнитного поля на концах последнего возника­ ют циркуляционные токи, лежащие в плоскостях, перпенди­ кулярных к магнитному полю. Они ослабляют поле в сечении I и усиливают его в сечении II, Одновременно они ослабля­ ют измеряемую ЭДС тем больше, чем меньше длина 1Ммагнит­ ного поля. Зависимость коэффициента ослабления kM от отно­ шения lM/D, полученная теоретическим путем [19, 62], показана на рис. 175, б. Коэффициент kMпрактически равен единице при

I J D > 3 .

Как показано на рис. 176, а, трубопровод за пределами изоли­ рующей футеровки создает путь для концевых токов, шунтирую­ щих область между электродами. Вызываемое ими уменьшение измеряемой ЭДС оценивается коэффициентом ослабления /ги, за­ висимость которого от относительной длины lK/D футеровки по-

Рис. 176. Влияние конечной длины футеровки

306

казана на рис. 176, б (кривая 1 — теоретическая [19], кривая 2 — экспериментальная). При блине ln/D > 4 коэффициент ки практи­ чески равен единице. Концевые эффекты могут быть учтены при градуировке.

15.4. ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Постоянное магнитное поле имеет много достоинств: относи­ тельную простоту устройства магнитной системы, возможность измерения расходов, изменяющихся с высокой частотой, отсут­ ствие многочисленных помех, возникающих при применении пе­ ременного магнитного поля, принципиальную возможность из­ мерения расхода веществ с низкой электрической проводимос­ тью. Но такому полю свойствен существенный недостаток — по­ ляризация электродов. При протекании электрического тока через электролит нарушается электродинамическое равновесие на гра­ нице электрод—жидкость из-за ограниченной скорости электро­ химических реакций. Чем больше сила тока, тем большее число ионов не успевает разрядиться при проходе через поверхностный слой. В результате происходит концентрация отрицательных ионов у положительного электрода, а положительных у отрица­ тельного, которые образуют ЭДС поляризации Еп, направленную навстречу измеряемой ЭДС. Явление поляризации осложняется неустойчивым состоянием поверхностных слоев у электродов. Не­ посредственно прилегающая к электроду очень тонкая часть по­ верхностного слоя неподвижна, другая большая его часть — диф­ фузионная — увлекается жидкостью при ее движении. На грани­ це между неподвижным и диффузионным слоями возникает раз­ ность потенциалов у, пропорциональная скорости v и вязкости р жидкости: \|/ = 4n[iv/eE3yгде в — диэлектрическая постоянная жид­ кости; Еэ — напряженность электрического поля так называемо­ го двойного слоя. Изменение \|/ сказывается на полном, так назы­ ваемом электродном, потенциале металла, погруженного в вод­ ный раствор. Неполная идентичность электродов, неоднородность жидкости и неодинаковость местных скоростей приводит к тому, что потенциалы, возникающие у двух электродов, не могут ском­ пенсировать друг друга и образуется гальваническая ЭДС Ег, на­ рушающая нормальную работу расходомера.

В связи с этим для измерения расхода обычных жидкостей с ион­ ной проводимостью применяют почти всегда переменное, а не постоянное магнитное поле. Последнее вполне уместно для изме­ рения расхода расплавленных металлов, имеющих электронную, а не ионную проводимость. Кроме того, электромагнитные расхо­ домеры с постоянным магнитным полем иногда применяют в ла­ бораторной и исследовательской практике при кратковременных измерениях, когда явление поляризации не может достичь за­ метной величины, и при измерении быстропеременных расходов, измерение которых невозможно при переменном магнитном поле.

307

15.5. ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Переменное магнитное поле благодаря сведению до минимума поляризации электродов широко применяется в отечественных и зарубежных электромагнитных расходомерах. Однако здесь воз­ никает ряд ограничений и помех.

1. Наряду с токами проводимости в преобразователе расхода протекают и токи смешения. При удельной проводимости жид­ кости больше, чем 10” - 10~6 См/м, они ничтожно малы по срав­ нению с токами проводимости и не влияют на показания. Но при дальнейшем уменьшении у токи смещения быстро растут и, за­ мыкаясь через стенки преобразователя и окружающее простран­ ство, вызывают падение напряжения между электродами, тем большее, чем меньше относительная диэлектрическая проницае­ мость ег жидкости. Согласно [34], коэффициент ослабления kQ измеряемой ЭДС в результате шунтирующего действия токов сме­ щения определяется уравнением

К = д/(сое0 / у)2 + [1 + ег (8Г - 1 )(ю е0 / Y)2 ]2 /[1 + 4 (ю ео /V )2].

в котором со — круговая частота магнитного поля; в0 — электри­ ческая постоянная. При со= 0 имеем kQ= 1. С увеличением безраз­ мерного отношения 0)£Q/ Y коэффициент kQ, уменьшаясь, стремит­ ся к значению ег(вг - 1).

Рассмотренное явление ограничивает возможности примене­ ния переменного поля для жидкостей с малой электрической про­ водимостью (менее 1СГ510~6 См/м).

2. Емкостное сопротивление между проводами, связывающи­ ми преобразователь расхода с измерительным прибором, ограни­ чивает длину I проводов тем больше, чем меньше удельная прово­ димость жидкости. Для точного измерения ЭДС преобразователя надо, чтобы сопротивление нагрузки zHбыло во много (100-500) раз больше сопротивления z преобразователя. Сопротивление же zH,

как видно из уравнения zH= [/^ /(1 -h со2С2г2)]0,5, зависит от со­

противления ги измерительного прибора и емкости Сп соедини­ тельных проводов. С увеличением длины I проводов возрастает их емкость Сп и снижается zH. Так как г возрастает с уменьшени­ ем у и увеличением диаметра D, одновременно снижается и допус­ тимое значение L Так, у расходомеров типа ИР при у> 5 •ИГ2 См/м I= 100 м, а при у= 10~3 См/м I сокращается до 10 м. У расходоме­ ров «Фоксборо» [29] при увеличении I от 15 до 150 м минимально допустимая проводимость у возрастает от 7,5 •10~3 до 7 •10“3 См/м при D = 50 мм и от 0,5 •10“3 до 5 •10“3 при D = 300 мм. Вредное влияние емкости проводов уменьшится, если усилитель или пер­ вую его ступень (катодный повторитель) отделить от измеритель­ ного прибора и установить у преобразователя расхода. Другой способ состоит в применении проводов с двойным экраном и по-

308

даче на внутренний экран напряжения, равного по величине на­ пряжению экранируемого провода. Такая схема позволяет [56] измерять расходы малоэлектропроводных жидкостей, имеющих

у= 1(Г5 См/м.

3.При переменном магнитном поле наряду с полезным сигна­ лом Е = 4BmaxQ0 sin 2nft/nD возникает паразитная, так называе­ мая трансформаторная ЭДС

Ет= -S (dB/dt) = -2 nfSBmax cos 2nft,

индуцируемая в контуре площадью S, образованном электрода­ ми, выводными проводами и измерительным прибором. Она тем больше, чем больше частота f и площадь S контура, перпендику­ лярная к магнитному полю. Величина Етможет быть значитель­ но больше полезного сигнала. Имеется несколько методов борьбы

свредным влиянием трансформаторной ЭДС. Один из них осно­ ван на уменьшении площади S путем расположения плоскости витка, образованного проводниками, идущими от электродов, параллельно силовым линиям магнитного поля.

То обстоятельство, что полезный сигнал и трансформаторная ЭДС сдвинуты по фазе на 90°, облегчает устранение влияния пос­ ледней схемным путем. Для этой цели может служить усилитель

сфазовым детектором. Весьма эффективна также раздельная ком­ пенсация синфазной и трансформаторной (квадратурной) состав­ ляющих выходного напряжения. Имеются также и другие схемы

подавления квадратурной помехи, в частности примененные

врасходомерах ИР-51 и ИР-61 (см. далее).

4.Переменное магнитное поле вызывает появление вихревых токов Фуко как в магнитопроводе, так и в стенках трубопровода

и в измеряемой жидкости. При небольшой толщине стенки и жидкости с ионной проводимостью вихревыми токами можно во многих случаях пренебречь. Вихревые токи возрастают с уве­ личением толщины стенки и могут оказать влияние на показа­ ния расходомеров в результате создания этими токами своего маг­ нитного поля, ослабляющего основное магнитное поле, и вслед­ ствие увеличения фазового сдвига между полезным сигналом и током. Это затрудняет создание преобразователей расхода при больших давлениях измеряемого вещества. Кроме того, из-за не­ однородности магнитного поля и жидкости возможно неравенство вихревых токов по обе стороны от сечения трубы, в котором на­ ходятся электроды, и появление на последних дополнительной паразитной ЭДС.

5. На измеряемую ЭДС может влиять электрическая емкость между цепью электромагнита и цепью проводов от преобразова­ теля расхода до измерительного прибора. Заземление магнитопровода, электростатическое экранирование электродов и сниже­ ние напряжения питания электромагнита способствуют умень­ шению этого влияния.

309

6.Блуждающие токи и внешние электромагнитные поля — возможные источники помех. Для борьбы с токами надо иметь

водной точке заземление корпуса преобразователя и других эле­ ментов схемы, подлежащих заземлению, а для устранения наво­ док от внешних полей следует хорошо экранировать все части расходомера и применять коаксиальные кабели для соединитель­ ных проводов.

7.Изменение напряжения и частоты питания обмотки элект­ ромагнита, а также температуры последнего могут вызвать изме­ нение индукции В магнитного поля, а следовательно, и измеряе­ мой ЭДС. Простейший путь борьбы с этим — сделать напряжение питания электромагнита также опорным напряжением схемы сравнения. Еще лучше, когда не напряжение, а сила тока элект­ ромагнита будет источником опорного напряжения. При этом будет устранено и влияние температуры. Но наиболее совершенный способ — непосредственно связать опорное напряжение с магнит­ ным потоком преобразователя [19]. Тогда устраняются и влия­ ния нелинейности кривой намагничивания и фазовых сдвигов между током и магнитным потоком в электромагните. Такая схе­ ма особенно необходима для измерения расхода железорудных пульп.

8.Приближение железа магнитной системы преобразователя к насыщению вызывает усиление помех и рассеяния магнитного потока. Поэтому индукция В магнитного поля не должна быть более 0,25-0,3 Т.

9.Явление поляризации электродов имеется и при перемен­ ном магнитном поле, но во много раз в меньшей степени, чем при постоянном поле. Чем больше частота поля, тем больше основа­ ний, чтобы пренебречь им. Постоянное же значение гальваниче­ ской ЭДС можно отфильтровать конденсаторами или разделитель­ ными трансформаторами, установленными перед усилителем.

10.В электромагнитных расходомерах имеется паразитная ЭДС Еш, обязанная своим происхождением так называемым тепло-

вым шумам £ц, = (Е ^ +E ^2)°’5, где Еш1 — ЭДС, возникающая от тепловых шумов во внутреннем сопротивлении В жидкости между электродами; Еш2 — ЭДС, возникающая от тепловых шу­ мов во входном сопротивлении RBX усилителя. Для определения Еш1 имеется формула

£ ш1 = ( 4 т г д / ) 0’5,

где k — постоянная Больцмана, k= 1,37 •1 0 23 Дж/К; Т — абсолютная температура жидкости, К; R — активная составляющая сопротивления, Ом; А/ — усиливаемая полоса частот в измери­ тельной схеме, Гц. Таким образом, Еш1 возрастает с увеличением R и А/. По аналогичной формуле определяется и Еш2.

При компенсационной схеме измерения RBX = R и Еш = (2Еш1)0,5. При некомпенсационной схеме RBX » R. Помехой от тепловых

310