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

ние и коэффициент усиления, равный единице. Так, при диамет­ ре трубы 40 мм, диаметре электродов 25 мм и толщине тефлоно­ вой изоляции 2,5 мм, имеющей диэлектрическую постоянную око­ ло 2, емкость между жидкостью и электродом составляет 2 пФ. Тогда при частоте 50 Гц импеданс источника равен 1,5 •103 Ом. При этих условиях входной импеданс предварительного усилите­ ля должен быть около 1012 Ом. Угол раствора электродов Р дохо­ дит до 90°, а угол раствора защитных электродов еще больше. Длина измерительных электродов по оси трубы связана с осевой длиной магнитного поля и меньше последней примерно в два раза, в то время как длина защитных электродов в два раза больше, чем длина измерительных.

В большинстве серийно изготовляемых электромагнитных рас­ ходомеров электромагнитная система, состоящая из обмотки воз­ буждения и магнитопровода, располагается снаружи трубы пре­ образователя и закрывается металлическим кожухом. Но при очень высоком давлении во избежание появления больших вих­ ревых токов в толстостенных стальных трубах электромагнит­ ную систему размещают внутри трубы преобразователя в элект­ роизоляционном компаунде, который отделен от жидкости футе­ ровкой.

При измерении расхода жидкостей, которые кристаллизуются или полимеризуются при низких температурах, применяют обо­ грев (например, путем пропуска пара или горячей воды через наружную рубашку).

15.9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Электродвижущая сила, создаваемая первичным преобразова­ телем электромагнитного расходомера, невелика. Обычно она не превосходит 5-6 мВ. Это требует применения усилителей. Для повышения точности измерения сила измерительного тока, про­ текающего через преобразователь, должна быть минимальной. Это достигается применением измерительных схем с очень большим входным сопротивлением, например с помощью катодного повто­ рителя на входе усилителя. В измерительной схеме надо иметь устройство, устраняющее влияние на результаты измерения транс­ форматорной ЭДС, сдвинутой по фазе на 90е по отношению к ос­ новному сигналу. Кроме того, важно предусмотреть устройство, исключающее влияние изменения магнитного потока преобразо­ вателя, в частности от колебания напряжения питания, на пока­ зания расходомера.

Разработка отечественных серийных электромагнитных рас­ ходомеров началась в НИИтеплоприбор. Вначале были освоены и ряд лет выпускались расходомеры типа 3-РИ и 3-РИМ клас­ са 2,5. Затем они были заменены компенсационными расходоме-

321

в компенсационной цепи напряжение, обратное по фазе, но рав­ ное по амплитуде ЭДС на электродах преобразователя расхода. Вторичная обмотка трансформатора 2 связана с входом предвари­ тельного усилителя 8упоследовательно с которым соединены узел фазирования 9, усилитель 10 с транзисторным ключом — подава­ телем квадратурной помехи и фазочувствительный усилитель 11. Последний управляет реверсивным двигателем 12у перемещаю­ щим плунжер дифференциально-трансформаторной катушки б. Ее первичная обмотка, шунтированная конденсатором 5, соеди­ нена с вторичной обмоткой трансформатора тока 4, первичная обмотка которого, включенная последовательно с обмоткой воз­ буждения преобразователя расхода, питается от сети. Напряже­ ние, снимаемое со вторичной обмотки дифференциально-транс­ форматорной катушки 6у подается к блоку фазовращателей 23. Терморезистор 7 служит для компенсации изменения окружаю­ щей температуры. Постоянное напряжение питания на предвари­ тельный усилитель 8 подается от блока 14 через разделительный диод и конденсатор.

В цепи автоматической компенсации полезного сигнала у 4-РИМ опорный сигнал — ток, проходящий в обмотке возбужде­ ния, а не напряжения, как у 4-РИ. Это обеспечивает дополни­ тельную независимость не только от колебаний напряжения, но еще и от изменения частоты и температуры преобразователя рас­ хода. Кроме того, в расходомере 4-РИМ помимо компенсации квадратурной помехи в преобразователе расхода с помощью по­ тенциометра (на схеме не показан), а в компенсационном транс­

322

форматоре с помощью корректирующей цепи, имеется еще и тре­ тья ступень компенсации. Для этого в усилителе 10 есть особая схема, состоящая из демодулятора-модулятора, осуществляюще­ го двойное электрическое преобразование, двух интегральных прерывателей для выпрямления переменного напряжения и од­ ного — для преобразования постоянного напряжения в перемен­ ное. Все прерыватели работают в ключевом режиме. При поступ­ лении на вход демодулятора — модулятора сигнала, сдвинутого относительно напряжения, управляющего ключами на 90° (оста­ точной части квадратурной помехи), то демодулятор-модулятор не пропускает этот сигнал.

Вдальнейшем на базе расходомера 4-РИМ был разработан рас­ ходомер типа ЭМР.

ВКБ ПО «Промприбор» (г. Таллин) были разработаны элект­

ромагнитные расходомеры ИР-51 и ИР-61. Для этих приборов характерно применение преобразователя Холла в цепи обратной связи, который служит для создания компенсирующего напря­ жения.

Усовершенствованный расходомер ИР-51 получил довольно широкое распространение. Схема расходомера ИР-51 показана на рис. 184. Один из электродов имеет два вывода, замкнутые через резисторы R1 и R3 на низкоомный потенциометр R2. Перемещая движок последнего, достигают предварительного подавления трансформаторной ЭДС. По экранированному кабелю измеряе­ мый сигнал поступает через трансформатор Тр1 на вход усилите­ ля У1. Его вторичная обмотка для большей избирательности на­ строена конденсатором на резонансную частоту 50 Гц. После уси­ лителя У1 имеются два параллельных канала. Они состоят из демодулирующих устройств Д1 и Д2, усилителей У2 и УЗ и моду­ ляторов M l и М 2. Канал Д1—M l служит для измерения полез­ ного сигнала, а канал Д2—М2 для окончательной компенсации трансформаторной ЭДС. В последнем управляющее напряжение сдвинуто по фазе на 90° по отношению к последнему сигналу, что

Рис. 184. Блок-схема расходомера ИР-51

323

обеспечивает выделение постоянного напряжения, пропорциональ­ ного трансформаторной ЭДС. Модуляторы M l и М 2 имеют эле­ менты Холла ЭХ, преобразующие поступающие к ним постоян­ ные напряжения в переменные, из которых одно компенсирует измерительный сигнал, а другое трансформаторную ЭДС. Выход­ ные цепи обоих элементов Холла включены последовательно, и оба компенсационных напряжения поступают в первичную об­ мотку трансформатора обратной связи Тр2. Измерительный сиг­ нал расходомера — постоянный ток 0 -5 мА, образующийся на выходе усилителя УЗ. Для его ориентировочного измерения слу­ жит миллиамперметра. Основная приведенная погрешность рас­ ходомера ИР-51 по токовому выходному сигналу ±1 % .

Разработанный позже расходомер ИР-61 отличается от ИР-51 более современной элементной базой, применением интегральных микросхем, но в нем отсутствует компенсационная цепь с эле­ ментом Холла для подавления трансформаторной ЭДС. Это мо­ жет быть оправдано лишь для преобразователей расхода, уста­ навливаемых в трубах малого диаметра.

Расходомеры типов РИ и ИР имеют равномерное магнитное поле и изготовляются лишь для труб, диаметр которых не превы­ шает 300 мм. Электромагнитные расходомеры диаметром 400, 600 и 800 мм, изготовленные заводом ♦Ленводоприбор», с преоб­ разователями расхода типа ♦Индукция-51» разработки НИИтеплоприбор (см. рис. 179), и измерительной схемой типа ИР-51 (см. рис. 184), поставляемой ПО ♦Промприбор», имеют неравно­ мерное магнитное поле, приближающееся к закону BW = const. Это способствует сильному сокращению длины и массы преобра­ зователей в тем большей мере, чем больше диаметр трубопрово­ да. Кроме того, сокращается необходимая длина прямого участка последнего. Преобразователи расхода, изготовленные заводом ♦Ленводоприбор», просты по конструкции благодаря изготовле­ нию корпуса прибора из стекловолокна. Они не требуют изоляци­ онного покрытия и выдерживают давление до 1 МПа.

Основная приведенная погрешность расходомеров ♦Ленводо­ прибор» по токовому выходному сигналу: для D, равного 400 и 600 мм, равна ±1,5 % , для D > 800 мм равна ±2,5 % .

Резко отличен от всех рассмотренных электромагнитный расхо­ домер СВЭМ-В, разработанный в системе нефтяной промышлен­ ности. Его преобразователь расхода показан на рис. 185.

Внутри корпуса 9 расположена катушка возбуждения 6 , пита­ емая от сети через кабельный ввод 10. Она намотана на каркасе 7 из коррозионно-стойкой немагнитной стали 12Х18Н10Т, снабжен­ ном уплотнительными кольцами 8. Ток в обмотке 6 создает маг­ нитное поле, силовые линии которого внутри трубопровода па­ раллельны, а не перпендикулярны к его оси, как в обычных элек­ тромагнитных расходомерах. Поступающая жидкость, проходя через завихритель 5, приобретает вращательное движение и пе­ ресекает под прямым углом силовые линии магнитного поля.

324

Образующийся вектор электромагнитной ин­ дукции имеет радиаль­ ное направление. Для снятия возникающей разности потенциалов служит электрод 2> кон­ чающийся вкладышем 4, расположенным в цент­ ре трубы. Другой элек­ трод — заземленный корпус прибора. Элек­ трод 2, проходящий через уплотнительное кольцо 3, связан с пред­ варительным усилите­ лем 1 , установленным на корпусе.

Расходомер СВЭМ-В состоит из рассмотрен­ ного взрывозащищенно­ го преобразователя рас­ хода и измерительного нормирующего преобра­ зователя с электромеха­ ническим счетчиком ,

показывающим количество прошедшей жидкости. Преобразова­ тели расхода ПРЭМ-В разработаны для труб диаметром 50, 100 и 2 0 0 мм, их масса с фланцами не более 18 кг, а без фланцев не более 13 кг. Рабочее давление 25 МПа. Диапазоны расходов 5 - 50, 10-100 и 20-200 м3/ч для D = 50, 100 и 200 мм соответствен­ но. Основная погрешность: ±2,5 % в диапазоне 20-100 % Qmax и ±4 % в диапазоне 10-20 % Qmax Достоинства расходомеров СВЭМ: относительная простота устройства и пригодность для вы­ соких давлений. Недостатки: большая потеря напора, повышен­ ная погрешность и возможность применения только для жидко­ стей, удельная проводимость которых не более 5 •10-2 См/м.

В качестве примера зарубежного электромагнитного расходо­ мера на рис. 186 показана схема прибора «Mag-Х» фирмы «Фи­ шер и Портер» [022]. Катушки возбуждения 1 преобразователя расхода, установленного в трубе 2 , питаются от управляющего блока 4 прямоугольными импульсами с частотой 3,125 Гц, кото­ рая получается в результате деления частоты сети 50 Гц на 16. Это исключает влияние помех в сети на работу преобразователя, а также возникновение трансформаторной помехи. Измеритель­ ный сигнал снимается с электродов, расположенных горизонтально на изолированных стенках трубы 2. Сигнал поступает в усили­ тель 3 и затем в синхронизирующий детектор 4. Последний вы­

325

нения силы тока служит блок обратной связи 6 , вырабатываю­ щий сигнал соотношения выходного и эталонного сигналов, ко­ торый поступает от резистора R. Блок 5 преобразует напряжение в выходной частотный сигнал, изменяющийся в пределах от 0 до 10 кГц. Блок 7 интегрирует выходной сигнал и имеет перестраи­ ваемый коэффициент деления для определения количества про­ шедшей жидкости в соответствующих единицах. Блок 8 преобра­ зует частотный сигнал в постоянный ток 4-20 или 0-16 мА. В управляющий усилитель 11 импульсы управления поступают от счетчика 9 через усилитель 10. При необходимости расходо­ мер комплектуется ультразвуковым генератором для очистки элек­ тродов. Погрешность расходомера «Mag-Х» в диапазоне 10-100 % Qmax и диапазоне скоростей 0,9-10 м /с не превышает ±0,5 % (при индивидуальной градуировке [2]). Потребляемая мощность 4 В •А на каждые 25 мм диаметра преобразования расхода.

Схемы электромагнитных расходомеров других зарубежных фирм приведены в работе [5].

15.10. РАСХОДОМЕРЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СКОРОСТИ ПОТОКА

Для больших диаметров труб разработаны расходомеры с элек­ тромагнитными преобразователями скорости. Они проще и де­ шевле. С увеличением диаметра трубы эти преимущества усили­ ваются. Но расходомеры с преобразователями скорости требуют больших прямых участков труб.

На рис. 187, а, б показаны два варианта подобных преобразо­ вателей. В трубопровод в место нахождения средней скорости вводится с помощью штанги 2 пустотелый обтекатель 5, в кото-

326

работаны электромагнитные расходомеры типов ЭРИС и ПСГ с преобразователями скорости по рис. 187, б, а на ПО «Промприбор» расходомер ИР-56 с преобразователями скорости по рис. 187, а. Обтекатель в расходомерах ЭРИС цилиндрический диаметром 28-30 мм со сферической головкой.

Вцилиндрической поверхности на противоположных концах диаметра имеются уплотненные прямоугольные отверстия, через которые проходят концы электродов. В зависимости от диаметра трубопровода высота штанги Я (вместе с клеммной коробкой, укрепленной на штанге) делается различной. Для D = 400, 500, 600, 800 и 1000 мм имеем Я , равную 167; 179; 191; 214 и 239 мм соответственно. Эти значения Я приняты из условия размещения преобразователя на расстоянии 0,24Я/2, там, где имеется сред­ няя скорость потока.

Врасходомере ЭРИС-1 применяется лишь один электромаг­ нитный преобразователь скорости, а в расходомере ЭРИС-3 — три таких преобразователя, размещаемые равномерно по окруж­ ности на расстоянии 0,76Я/2 от оси трубы. Расходомер ЭРИС-1 можно применять лишь при достаточно большой длине прямого участка, обеспечивающей создание осесимметричного потока. Необходимые длины этого участка, зависящие от вида ближай­

шего местного сопротивления, те же, что и в случае применения дифференциальной трубки Пито, даны в кн. 1. Расходомер ЭРИС-3 позволяет существенно сократить длины прямого участка. Так, по данным НИИтеплоприбор, при задвижке, закрытой на 1/3, допустимо размещение преобразователей скорости ЭРИС-3 на рас­

стоянии от задвижки не менее 3£>.

В системе нефтяной промышленности освоен выпуск расходо­ меров типа ЭРИС-М. Его электромагнитный преобразователь ско­ рости ПС-2 такой же, как у расходомеров ЭРИС, а измерительная схема немного модифицирована.

327

Расходомер ИР-56 с электромагнитным преобразователем скорос­ ти больше не выпускается. Он был предназначен для измерения ско­ ростей в пределах от 0 до 1,6 м/с и имел основную погрешность ±4 %.

Существенно отличается от всех рассмотренных расходомеров с электромагнитными преобразователями скорости новый расхо­ домер типа ПСГ (площадь—скорость—градиент), разработанный в НИИтеплоприбор для труб большого диаметра, не имеющих достаточного прямого участка, когда профиль скоростей может быть сильно деформирован.

Блок-схема расходомера ПСГ показана на рис. 188. Преобра­ зователи скорости у него соответствуют рис. 187, б9 но расстоя­ ние между электродами 60 мм (у ЭРИС оно равно 28 мм) и распо­ ложены так, что линии, соединяющие электроды, направлены по радиусу трубы. Это позволяет измерять радиальные градиенты скорости. Сигналы с электродов 2 проходят через усилители 5, на выходе из которых группируются в два канала. По одному поступают сигналы с электродов, расположенных на окружности большего радиуса, а по другому — с электродов, находящихся на меньшем радиусе. Сигналы в каждом канале складываются в сум­ маторах 6 и подаются в коммутатор 7, куда подается также сиг­ нал с опорного сопротивления 10у характеризующий силу тока в индукторе, поступающий от блока питания 4. Коммутатор 7 через усилитель 8 и преобразователь «напряжение—частота» 9 связан с микропроцессором 2 2 , который управляет коммутато­ ром и блоком питания, так что индукторы преобразователей питаются периодически повторяющимися однополярными пря­ моугольными импульсами длительностью 330 мс и интервалом между ними 670 мс. Измерительный сигнал с каждого электро­

да — это разность сигналов

328

ром от 1250 до 3600 мм и на максимальные расходы от 0,63 до

50м3/с . Основная погрешность ±1,5% , выходной сигнал 0 -5

и4-20 мА, потребляемая мощность не более 200 В •А.

Принцип действия расходомера ПСГ основан на следующих соображениях. Среднюю скорость v потока, определяемую с по­ мощью расходомера ПСГ, можно представить в виде

где k = К’тФ 2к/4; А = aR/d; В = (Oj/a) (R/d); С = D2/D2^ Множитель С учитывает, что реальный диаметр трубы D может отли­ чаться от номинального диаметра 2>н, принятого при градуировке.

Сигнал (ft + f2)/2fs характеризует среднюю скорость жидко­ сти v по линии окружности с радиусом г=0,76П /2. Сигнал (f1 - - / 2)/(/х + / 2) характеризует отношение среднего радиального гра­ диента скорости к средней скорости vc. Значение коэффициента определяется из анализа реальных режимов потока на основе ста­ тистических данных.

15.11.ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ДЛЯ ВЕЩЕСТВ

СМАЛОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ

ИОСОБЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ

Серийно изготовляемые электромагнитные расходомеры при­ годны лишь для веществ, удельная электропроводность которых не менее 10“ 3 См/м. Но уже давно стали разрабатывать расходо­

329

меры, пригодные для веществ с меньшей электропроводностью. На этом пути возникает много трудностей.

Необходимо, чтобы сопротивление нагрузки z было во много раз больше сопротивления преобразователя zn. Но с уменьшени­ ем электропроводности жидкости возрастает zn и увеличивается отрицательное влияние емкостного сопротивления соединитель­ ных проводов, включенного параллельно измерительному прибо­ ру и, следовательно, уменьшающего 2^. Применение проводов с двойным экраном, из которых внешний заземлен, а на внутрен­ ний подано напряжение, равное тому, под которым находится провод, с одновременным сокращением расстояния (до 7 м) до предварительного усилителя позволило увеличить предел приме­ нения расходомера до 10~5 См/м. Но увеличивать общее сопро­ тивление цепи нельзя из-за усиления вредного влияния тепло­ вых шумов. Это ограничивает возможность увеличения zHсверх 108 Ом. Поэтому целесообразно идти по пути уменьшения внут­ реннего сопротивления преобразователя гп. Для этого надо вмес­ то точечных переходить на применение электродов с большой поверхностью, с обязательной защитой их от шунтирующего дей­ ствия окружающей среды с помощью экранирующих электро­ дов. Таким путем в работе [271 удалось измерить расход транс­ форматорного масла (у= 1 • 2 •1СГ10 См/м) с погрешностью ±3 % . Другой, но редко применяемый способ уменьшения заклю­ чается в сокращении пути токов, например с помощью проло­ женного в центре трубы заземленного стержня или же с помо­ щью двух заземленных стержней, проходящих через футеровку. Последние размещаются симметрично относительно электродов в плоскости последних. Таким образом удалось измерить расхо­ ды спирта, глицерина и других жидкостей с электрической про­ водимостью до 10” 7 См/м [28].

При измерении расхода жидкостей с еще меньшей электри­ ческой проводимостью (менее 10” 7 См/м) основное значение приоб­ ретают токи смещения. Один из путей устранения их влияния — применение прямоугольно-импульсного магнитного поля. Для измерения служат только средние части импульсов, когда токи смещения отсутствуют. Этот способ при одновременном умень­ шении на три порядка zn (путем увеличения площади электродов и применения среднего заземленного электрода) позволил изме­ рять расход трансформаторного масла с электропроводностью 2 •10”11 См/м. При Qm сигнал равнялся 100 мкВ. Частота пря­ моугольных импульсов 200-600 Гц.

Другой способ [34] состоит в компенсации токов смещения при помощи положительной обратной связи, охватывающей измери­ тельный усилитель.

Наряду с расходомерами для жидкостей, имеющих малую элек­ трическую проводимость, разрабатываются приборы, предназна­ ченные для особых случаев применения, в частности для измере­ ния расхода с деформированной эпюрой. Так, в работе [50] прове­

330