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

шумов можно пренебречь при компенсационной схеме вплоть до R < 108 Ом, а при некомпенсационной схеме при R < 105 Ом.

Тепловые шумы, как и токи смещения, ограничивают приме­ нение электромагнитных расходомеров для жидкостей с большим удельным сопротивлением.

15.6. ИМПУЛЬСНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Многочисленные помехи и ограничения, связанные с приме­ нением переменного поля, проявляются тем сильнее, чем выше частота поля. Поэтому в большинстве случаев, когда не требуется измерение быстропеременных расходов, целесообразно существен­ но снижать обычную частоту (50 Гц) магнитного поля. Имеются разработки и реализации расходомеров, работающих на частотах 6,25 (50: 8) Гц; 3,125 (50: 16) и даже 1,5625 (50 : 32) Гц. В ре­ зультате полностью устраняется влияние внешних помех промыш­ ленной частоты; существенно снижается влияние, собственных индукционных и емкостных помех; практически устраняется влияние вихревых токов, что облегчает создание преобразовате­ лей расхода на высокое давление; уменьшается дрейф сигнала и влияние шумов и снижается потребление электроэнергии; по­ является возможность отказа от шихтованного магнитопровода; упрощается изготовление за счет исключения экранировки элек­ тродов и измерительных цепей.

Снижение частоты целесообразно сочетать с переходом на им­ пульсное питание электромагнитов от источника постоянного тока. Одна из первых таких разработок не только в отечественной, но и в мировой практике была описана более 30 лет назад. Были раз­ работаны расходомеры с переменным полем прямоугольной фор­ мы, частотой около 5 Гц на диаметры труб от 4 до 10 мм и на давление 15 МПа, предназначенные для измерения очень малых расходов вплоть до 2 -3 г/с. В современных конструкциях этих расходомеров полностью устранено влияние поляризации элект­ родов и гальванической ЭДС на показания [32, 37, 45, 47, 54, 55]. На рис. 177, а показана зависимость индукции магнитного поля у таких расходомеров, а на рис. 177, б — зависимость на­ пряжения на электродах от времени. Время одного цикла Т = 320 мс (1/8 Гц). При отсутствии магнитного поля напряжение на элект­ родах, определяемое гальваническим потенциалом, равно 1/р. При включенном поле и достижении полной индукции £ тах к напря­ жению (Ур добавляется полезный сигнал С/. Время существования индукции Втах, как и полного ее отсутствия, обозначено через k. Электроды подключаются к измерительной схеме дважды на вре­ мя М 1 и М 2, равное 40 мс. За время М г измеряется сумма U + Йр, а за время М 2 только Нр. Запоминающая схема позволяет произ­ вести вычитание последнего сигнала из первой суммы так, чтобы

311

а)

Ч

на выходе оставался лишь полезный сигнал U [64]. Расходомеры с таким импульсным полем обеспечивают более высокую точность измерения, чем с переменным полем синусоидальной формы про­ мышленной частоты. Их относительная погрешность лежит в пре­ делах ±(0,2-5-0,5) % . Кроме того, значительно уменьшается затра­ чиваемая мощность.

В Каунасском политехническом институте предложено [8] им­ пульсное магнитное поле треугольной формы, при котором изме­ рительный сигнал преобразователя изменяется между двумя за­ данными уровнями. Достоинство расходомеров с таким полем — практически одинаковое значение относительной погрешности во всем диапазоне измерения и уменьшение затрачиваемой мощнос­ ти на возбуждение с ростом расхода.

15.7. МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ РАСХОДОМЕРОВ

При измерении расхода жидких металлов, имеющих элект­ ронную проводимость, магнитную систему расходомеров образу­ ют постоянные магниты, создающие постоянное магнитное поле. При измерении расхода жидкостей с ионной проводимостью для создания переменного магнитного поля применяют электромаг­ ниты, питаемые переменным током. Устройство последних зави­ сит от желаемой формы переменного магнитного поля. Серийно изготовляются расходомеры с равномерным полем и полем, ин­ дукция которого удовлетворяет уравнению BW = const, т. е, распре­ делена обратно пропорционально весовой функции W (см. рис. 174).

Равномерное магнитное поле. Ранее, как правило, стремились получить в электромагнитных расходомерах как можно более равномерное магнитное поле. И теперь еще некоторые серийно изготовленные расходомеры, особенно небольших калибров, име­ ют такое поле. Его достоинства: независимость ЭДС от режима течения (турбулентного или ламинарного) при осесимметричном потоке, отсутствие паразитной ЭДС от вихревых токов Фуко, уменьшение влияния концевых эффектов. Недостаток равномер­ ного поля: большая протяженность I магнитной системы вдоль трубопровода (1/D = 3-5-4), вследствие чего возрастают масса, габа­

312

ритные размеры, а также стоимость преобразователя расхода и зависимость ЭДС от степени деформации потока при недостаточ­ ной длине прямого участка трубы.

На рис. 178, а -д показаны магнитные системы, предназначен­ ные для создания равномерного магнитного поля. Их форма за­ висит от диаметра D трубопровода. Так, для D < 25 мм удобен магнитопровод из шихтованной стали с плоскими полюсами, меж­ ду которыми помещается труба (рис. 178, а). Но с увеличением D такая система становится все более громоздкой и требует значи­ тельного расхода трансформаторной стали. В этих случаях целе­ сообразно электромагнитную систему делать в виде нескольких слоев ленты из магнитомягкого материала, охватывающего тру­ бу, а обмотку возбуждения размещать между лентой и трубой (рис. 178, б—г). Недостаток простейшей разновидности такой системы, показанной на рис. 178, б, — большой воздушный за­ зор, а следовательно, и излишний расход мощности. Для устра­ нения этого недостатка ленточному магнитопроводу придают фор­ му эллипса (рис. 178, в) или овала (рис. 178, г). При этом магни­ топровод приближается к трубе в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения электродов, и воздушный зазор со­ кращается. Но здесь длина магнитных линий в воздушном зазоре

ижидкости уменьшается от центра трубы к ее краю. Чтобы со­ хранить равномерность магнитного поля, надо обмотку возбуж­ дения располагать так, чтобы магнитодвижущая сила возрастала от краев трубы к центру. Это наряду с требованием полного за­ полнения обмоткой пространства между трубой и магнитопроводом определяет геометрию последнего [3, 014]. С увеличением диаметра трубы D происходит уменьшение разницы осей овала,

имагнитопровод приближается по форме к кругу. Поэтому для труб, имеющих D > 300 мм, целесообразно применять круглый магнитопровод (рис. 178, д).

Бели исходить из одной и той же чувствительности расходоме­ ра куопределяемой зависимостью k = E/v=BD= const, то с увели­ чением D уменьшается индукция Б, необходимая для достиже-

б)

Рис. 178. Магнитные системы, создающие равномер­ ное магнитное поле: а — магнитопровод из Ш-образ­ ного железа; б — магнитопровод ленточный с плос­ кими поверхностями; в—д — магнитопровод ленточ­ ный, плотно охватывающий обмотку возбуждения

313

ния одной и той же чувствительности. Это упрощает изготовле­ ние магнитных систем для труб, имеющих большие диаметры.

Магнитное поле, у которого B W = const. Данное магнитное поле имеет два существенных достоинства. Одно из них — отсут­ ствие необходимости в магнитных системах большой длины. Учи­ тывая, что весовой вклад в создание ЭДС точек, удаленных более чем на ±0,5£> от плоскости электродов, очень мал, можно в 2-4 раза сократить длину магнитной системы по сравнению с той, которая требуется для создания равномерного магнитного поля. Это приводит к резкому уменьшению массы и габаритных разме­ ров преобразователя, а также расхода меди на обмотку возбужде­ ния. Другое достоинство — возможность более точного измере­ ния расхода деформированных потоков, а значит, возможность сокращения необходимых длин прямых участков до и после пре­ образователя расхода (теоретически до нуля). Действительно, при любом распределении как магнитного поля, так и местных скоро­ стей, ЭДС, индуцируемая в жидкости, определяется уравнением

Е = jB W v d V ,

V

где В — компонента магнитной индукции в точке, где находится элементарный объем dV9 перпендикулярная к оси электродов и оси трубы; W — вес или значение весовой функции для этой точки, характеризующей ее вклад в создание ЭДС; v — компо­ нента скорости в этой точке в осевом направлении.

Если индукция магнитного поля удовлетворяет условию BW =

= const = k> то из предыдущего уравнения следует Е = fcj vdV =

v

= kQ0, откуда вытекает, что ЭДС Е прямо пропорциональна объем­ ному расходу Q0 независимо от распределения скоростей по сече­ нию трубы.

Получить магнитное поле, строго удовлетворяющее условию B W =const с расположением изолиний весовой функции по рис. 174, невозможно. Поэтому ограничиваются созданием полей, в кото­ рых условие BW = const достигается лишь с некоторым прибли­ жением. Примеры электромагнитных систем [3], с помощью ко­ торых создаются такие поля, показаны на рис. 179, а-e . Для них характерно расположение обмоток в направлении, перпендику­ лярном к оси, соединяющей электроды (рис. 179, а, б). При та­ ких обмотках индукция поля вблизи электродов минимальна, а затем она резко возрастает. Темп нарастания замедляется по мере приближения к центру трубы. При больших диаметрах труб (D = 400-J-1000 мм) обмотка делается секционированной, располо­ женной внутри круглого ленточного магнитопровода. Размер сек­ ций возрастает по мере удаления от электродов (рис. 179, в).

Кроме перечисленных, имеются и другие конфигурации маг­ нитных систем, создающих поля с приближением к условию B W =

314

Рис. 179. Магнитные системы, создающие поле, у которого B W = const: о — для D = 100+200 мм, б — для D ~ 250+300 мм;

в— для D = 400+1000 мм

=const. В качестве примера на рис. 180 показан преобразователь расходомера с очень простой электромагнитной системой, состоя­ щей из двух одинаковых бескаркасных катушек 2, установлен­ ных на трубе 8 на электроизоляционных прокладках. Катушки простой прямоугольной формы изготовляются намоткой между двумя параллельными плоскостями. Магнитопровод 7, также простой формы, собран из пластин электротехнической стали. Длина магнитопровода вдоль оси трубы менее одного диаметра трубы. Магнитопровод 7 и катушки 2 крепятся к трубе 8 с помо-

Рис. 180. Преобразователь расхода с простой электро­ магнитной системой

315

щью скоб и стержней. Магнитная система создает поле, прибли­ жающееся к условию BW = const, так как наибольшая индукция В образуется в вертикальной диаметральной плоскости, наиболее удаленной от электродов 1, расположенных по горизонтальному диаметру. Материал электродов сталь 12Х18Н9Т, а трубы — 12Х18Н10Т. Труба вместе с присоединительными фланцами 10 покрыта изоляцией 9 из стеклопластика ТСПО. Электромагнит­ ная система закрыта алюминиевым кожухом 3, на котором нахо­ дится коробка 5 с клеммной колодкой. Коробка имеет три шту­ церных вывода 4 и снабжена заземляющей клеммой 6.

В случае применения не двух, а четырех электродов область однородного значения весовой функции сильно возрастает и, сле­ довательно, упрощается создание поля ВW = const. Подобные рас­ ходомеры изготовляются за рубежом.

Тенденции развития магнитных систем. Применение опера­ ционных усилителей высокой чувствительности и микропроцес­ сорной техники позволило существенно упростить устройство электромагнитных систем. Можно в несколько раз снизить зна­ чение выходного сигнала, а значит, применять более слабые маг­ нитные поля. В результате снижена потребляемая мощность, а также масса и габаритные размеры магнитных систем. Их дли­ на вдоль оси трубы снижается вплоть до (0,2-s-0,3) D. Путем при­ менения дополнительных электродов и обработки сигналов с уче­ том их веса [24] можно упростить устройство магнитной систе­ мы, отказавшись от поля BW = const. Кроме того, применение поля низкой частоты (1—3 Гц) также способствует упрощению устройство электромагнитов.

Магнитные системы и необходимые длины прямых участков труб. С первых лет промышленного применения электромагнит­ ных расходомеров была установлена сравнительно малая зависи­ мость их показаний от близлежащих местных сопротивлений и даже появились утверждения о возможности установки непо­ средственно рядом с ними преобразователей расхода. Такие выво­ ды отчасти объясняются тем, что в расходомерах с равномерным магнитным полем относительные расстояния 1/D от входного и выходного фланцев преобразователя расходомера до плоскости электродов значительны, особенно при малых D. Так, у расходо­ меров типа ИР-1 расстояние J/D = 3,06 при D= 100 мм и l/D= 13,5 при D = 10 мм. При испытании расходомера ИР-1 с D = 80 мм [15] не было замечено изменения показаний при перемещении перед преобразователем расхода и даже внутри него круглой заслонки, срезанной наполовину или имевшей семь отверстий d = 12 мм. Но опыты с расходомером расплавленного металла, преобразователь которого устанавливался на различных расстояниях от дроссель­ ного крана, показали зависимость погрешности измерения ЭДС от степени открытия крана, степени близости его к преобразова­ телю расхода и скорости жидкости [12]. Если кран установлен до преобразователя расхода, то при степени его открытия, равной

316

25 % , и скорости 0,8 м/с, а также при степени открытия, равной 100 % , и скорости 1,1 м/с искажение сигнала наступает при l/D< < 22, Если кран установлен после преобразователя расхода, то при тех же условиях искажение сигнала наступает при 1/D <11. В зарубежных опытах [36] при установке преобразователя на рас­ стоянии 2,5£) после колена погрешность составила 2,79%. При расстоянии 5П она снизилась до 1,92 % . Если же вместо точеч­ ных применить электроды с большой поверхностью, то даже при расстоянии 2,5П погрешность будет лишь 0,79 % .

Расходомеры с магнитным полем, изменяющимся по закону BW = const, должны быть менее чувствительны к деформации эпюры скоростей. Но проведенные опыты [10, 59] дали противо­ речивые результаты. В некоторых опытах не было замечено осо­ бого преимущества этого поля перед равномерным в отношении возможности сокращения длины прямого участка трубы [59].

В работе [54] приводятся значения погрешностей, возникаю­ щих при установке очень близко к источнику возмущения преоб­ разователя расхода (D = 150 мм) с импульсным магнитным по­ лем. Так, если преобразователь стоит рядом с коленом, то в зависи­ мости от расположения электродов к плоскости колена погрешность изменялась от +0,55 до -0,7 % . При установке преобразователя сразу после диффузора погрешность равна -0,5 % , а после конфузора только ±0,1 % . Если преобразователь стоит после завихрителя потока на расстоянии 1,7П, то погрешность равна 0,8 % .

Дополнительные сведения по влиянию деформированных по­ токов на показания электромагнитных расходомеров, получен­ ные в Национальной физической лабораторий в Англии, содер­ жатся в работе [64].

Хотя все выполненные опыты не дают исчерпывающего ответа относительно необходимой длины прямого участка, очевидно, что

вбольшинстве случаев достаточно иметь длину прямого участка

впределах (5-s-10) D и только при очень сильной деформации по­ тока эту длину следует увеличить вплоть до (2<Н25) D.

15.8. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Основные элементы преобразователя электромагнитного рас­ ходомера — это отрезок трубы из диамагнитного материала, име­ ющий внутреннее изоляционное покрытие; электромагнитная система, расположенная снаружи, и два электрода для съема раз­ ности потенциалов, образующейся при пересечении жидкостью магнитного поля.

В большинстве случаев применяют преобразователи, внутрен­ ний диаметр которых DB равен диаметру D трубопровода. Соеди­ нение — фланцевое, а при малых D — резьбовое. Но при малых скоростях в трубах целесообразно иметь Db < D. Это повышает

317

ЭДС, а значит, и точность измерения расхода, снижает массу и стоимость преобразователя и, кроме того, благодаря повышен­ ной скорости жидкости способствует очистке поверхности элект­ родов [67]. При DB< D преобразователь соединяется с трубопро­ водом с помощью конических переходов. Труба преобразователя обычно изготовляется из коррозионно-стойкой стали. В особых случаях, при небольших давлениях и малых диаметрах, трубу преобразователя делают из стекла или пластмассы. При весьма больших диаметрах встречаются преобразователи с трубами из бетона [41]. Очень хорошим материалом для изготовления трубы, в том числе и большого диаметра, является многослойный стек­ лопластик. Он выдерживает большое давление и обладает изоля­ ционными свойствами.

В качестве изоляционного покрытия внутренней поверхности стальной трубы и фланцев преобразователя применяют полиуре­ тан, резину, эмаль, фторопласт и другие материалы в зависимос­ ти от свойств измеряемой жидкости. Так, резина хорошо сопро­ тивляется абразивному износу, поэтому ее рекомендуют для из­ мерения расхода рудных пульп. Температурный предел ее при­ менения 70 °С. Но в щелочных средах резина разрушается. Кислотостойкая эмаль пригодна для всех кислот, кроме плавико­ вой. Ее успешно применяют, в частности, при измерении расхода суспензии латекса и поливинилхлорида в диметилформамиде в процессе изготовления синтетических волокон. Коэффициенты расширения эмали и материала трубы (коррозионно-стойкой ста­ ли) должны быть близки друг к другу. Предел применения эмали 180 °С. Для щелочных сред эмаль не подходит. Фторопласт поми­ мо широко универсальной коррозионной стойкости хорошо со­ противляется также и изнашиванию. Так, фторопласт-4 приго­ ден для всех агрессивных сред, кроме плавиковой кислоты, 98 %-ной азотной кислоты, царской водки, ацетона и серного эфира, а фторопласт-40 — для всех жидкостей, кроме содержа­ щих трехфтористый хлор и элементарный фтор. Футеровка фто­ ропластом производится сваркой внутри преобразователя набора втулок и узла электрода, а соединение с металлом осуществляет­ ся с помощью ласточкина хвоста. Температурный предел фторо­ пласта около 150 °С. Но для высоких давлений фторопласт плохо пригоден из-за текучести, возрастающей с повышением темпера­ туры. Если резину и полиуретановый каучук в преобразователях типа ИР применяют до давлений 2,5 МПа (для D от 10 до 300 мм), эмаль тоже до давлений 2,5 МПа (для D от 10 до 100 мм), то фторопласт лишь до давлений 1 МПа (для D от 10 до 100 мм). Но при более совершенной технологии сборки узлов электродов

ифланцев при температуре 150 °С и повторной затяжке после охлаждения [16] преобразователи оказались работоспособными при давлении до 1,6 МПа при температуре 180 °С и давлении до 3,5 МПа при температуре 150 °С. В преобразователях расходомеров 4-РИ

и5-РИ для изоляционного покрытия применялись полуэбонит

318

и эпоксидный компаунд ЭД-5 (смесь смолы Д-5 с отвердителем). Большой износоустойчивостью обладают полиуретан и покрытия из стеклаПоследние к тому же термостойки и антикоррозийны. Труба из коррозионно-стойкой стали покрывается слоем особого состава, коэффициент теплового расширения которого средний между аналогичными коэффициентами стали и стекла. На этот слой расплавленное стекло наносится центробежным методом.

Электроды изготовляют из антикоррозийного и достаточно твердого материала, чаще всего из коррозионно-стойкой стали, но иногда из титана или платино-иридиевого сплава. Необходимо обеспечить помимо хорошего контакта электрода с текущей жид­ костью его изоляцию от металлической стенки трубы и плотность всего соединения. Наружный конец электрода снабжается нарез­ кой и одной или двумя гайками для затягивания электрода при его уплотнении.

На рис. 181, а показан узел электрода, применяемый во мно­ гих отечественных электромагнитных расходомерах. Он прост по устройству и надежно работает при резиновым и полиуретановых покрытиях. Плотность достигается конической головкой при за­ тягивании электрода с помощью гайки. В зависимости от разме­ ра трубы диаметр электрода 5 -8 мм, а его головки 6-30 мм. На рис. 181, б изображена несколько другая зарубежная конструк­ ция [43] узла электрода. Последний имеет сферическую головку 8 с одним или несколькими коническими зубцами на тыльной части, обеспечивающими внутреннее уплотнение при контакте с футеровкой 0. Тарельчатые пружины 11, опирающиеся через промежуточные шайбы в стенку 10 трубы, обеспечивают при за­ тягивании электрода необходимую плотность соединения. Клем­ ма 12 служит для присоединения провода. На рис. 181, в показан узел электрода при фторопластовой изоляции и небольшом диа­ метре трубы. С помощью кольцевой площадки у электрода под воздействием тарельчатых пружин электрод прижимается к фто­ ропластовой изоляции.

Рис. 181. Электродный узел:

1, 9 — футеровка; 2 — стальная труба; 3 — изоляционная прокладка (стеклотексто­ лит); 4 — шайба; 5, 16 — гайки; б, 13 — электрод; 7, 12. 18 — клеммы; 8 — сферическая головка; 10 — стенка трубы; 11. 20 — тарельчатые пружины; 14 — металлическая втулка; 15 — втулка; 17 — экранирующий колпачок; 19 — изоля­ ционная втулка; 21 — покрытие из второпласта 40

319

Новый узел фирмы «Aswega* описан в работах [13, 26 ].

В случае изоляции из эмали стержневой стальной электрод предварительно покрывается эмалью, затем вставляется в трубу преобразователя, после чего производится заливка эмали для об­ разования футеровки и запекание в печи. Конец электрода, выс­ тупающий на несколько миллиметров внутрь трубы, зачищается наждаком. Соединение неразборное.

Правильное измерение ЭДС нарушается, если поверхность элек­ трода загрязняется или на ней образуются осадки. Предложены [38, 39, 43, 67] различные методы очистки. Для механической очистки в трубчатый электрод вводят стальную щетку. Если за­ грязнение и осадки мягкие и не имеют сильного сцепления с по­ верхностью электрода, то можно рассчитывать на самоочистку их текущей жидкостью, особенно если последняя содержит твер­ дые частицы (например, при измерении сточных вод). В этом слу­ чае целесообразно углубить конец электрода на 10-12 мм внутрь трубопровода. Более эффективен ультразвуковой метод очистки. К стержню электрода присоединяется пьезоэлемент, на который подается напряжение с частотой 45-65 кГц. При возникающих механических колебаниях электрода осадки отделяются от него и уносятся жидкостью.

Наряду с рассмотренными электродами, имеющими контакт с измеряемой жидкостью, были предложены бесконтактные элек­ троды с емкостным съемом сигнала, имеющие ряд существенных достоинств: возможность применения для жидкостей с очень ма­ лой электрической проводимостью, отсутствие изнашивания по­ верхности электродов и необходимости их чистки. Такие элект­ роды весьма перспективны для измерения расхода как абразив­ ных жидкостей, так и жидкостей загрязненных и образующих осадки. В последние годы возрос интерес к их применению и по­ явились разработки соответствующих расходомеров [27, 46]. Схема преобразователя расхода с емкостными электродами показана на рис. 182. Металлические электроды отделены от жидкости изо­ ляционным слоем 2 из тефлона, фторопласта или другого мате­ риала. Каждый электрод вместе с изоляционным слоем (диэлект­ риком) и проводящей жидкостью (заземленной) образует конден­

320