3. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее См/м (соответствует электропроводности водопроводной воды). Имеются специальные расходомеры, позволяющие измерять расход жидкостей с электропроводностью до См/м.

Рис. 5. Схема электромагнитного расходомера: а — с внешним магнитом; б —с внутренним магнитом

На рис. 5, а показана принципиальная схема электромагнитного расходомера. Корпус 1 преобразователя, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2 (резиной, эмалью, фторопластом и т.д.), расположен между полюсами магнита (на рис. 5, а изображен постоянный магнит). Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3 находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов.

В соответствии с законом электромагнитной индукции при осе симметричном профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС , где В — индукция магнитного поля; — средняя скорость жидкости; D — длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы.

Учитывая, что _, получаем

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

(5)

Внутреннее сопротивление преобразователя растет с уменьшением электропроводности жидкости, что вызывает необходимость увеличения , однако этому препятствует емкостное сопротивление соединительных проводов, включенных параллельно . Поэтому необходимость выполнения условия (5) накладывает ограничения на минимальную электропроводность измеряемой жидкости.

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 в сумме образуют ЭДС поляризации, направленную против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную характеристику прибора и делает невозможной его стабильную работу. Поэтому электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем не применяются для жидкостей с ионной проводимостью. Широкое распространение они получили для измерения расхода расплавленных металлов, в которых отсутствует явление поляризации. Типичная область применения таких расходомеров — ядерные энергетические установки с жидкометаллическим теплоносителем.

В этих установках обычно используются малогабаритные электромагнитные преобразователи, являющиеся по существу измерителями локальной скорости жидкого металла. При известном профиле потока по выходному сигналу такого преобразователя может быть вычислен расход. В качестве примера на рис. 5, б представлена схема электромагнитного преобразователя скорости с цилиндрическим магнитом. Основными элементами его являются обтекаемый корпус 1, магнит 2 в форме цилиндра и электроды 3. В простейшем случае электроды привариваются к внутренней поверхности корпуса в диаметрально противоположных точках и выводятся за корпус с помощью кабеля 4. При обтекании преобразователя жидким металлом между электродами появляется разность потенциалов, пропорциональная скорости металла.

Рис. 6. Схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем

Для измерения расхода сред с ионной проводимостью применяются расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом (рис. 6). При синусоидально изменяющейся магнитной индукции, имеющей амплитудное значение и частоту , выражение для ЭДС имеет вид

(6)

При достаточно высокой частоте f поляризация электродов практически отсутствует, однако использование переменного магнитного поля имеет свои недостатки. Наиболее серьезным из них является появление паразитной трансформаторной ЭДС Е_т. Эта ЭДС наводится рабочим магнитным полем в контуре (рис. 5, а) провод А — электрод — жидкость — электрод— провод Б — вход измерительного прибора ИП. В соответствии с законом электромагнитной индукции

(7)

где Ф — магнитным поток, пронизывающий контур; S — площадь проекции контура, пронизываемого магнитным полем, на плоскость, проходящую через ось трубы и линию электродов. Сравнением (6) и (7) легко установить, что Ε и сдвинуты по фазe на 90°, кроме того, от расхода не зависит и существует даже при Q =0. Обе эти особенности используются для уменьшения влияния на показания прибора. Значение можно уменьшить, располагая провода АВ (рис. 5, а) в одной плоскости, параллельной силовым линиям магнитного поля. Обычно для ослабления влияния используется схема рис. 6. В этой схеме от одного из электродов отходят два провода, симметрично охватывающих трубопровод с обеих сторон и замыкающихся на резистор . Измерительный прибор подключается к движку этого резистора по второму электроду. При нулевом расходе перемещением движка необходимо добиться минимального сигнала на входе измерительного прибора. Оба описанных приема не устраняют трансформаторную ЭДС полностью. В современных расходомерах для полного устранения ее используется сдвиг по фазе на 90° между и в этом случае измерительная схема содержит два канала, один из которых предназначен для измерения полезного сигнала, второй — для компенсации тансформаторной ЭДС. С помощью фазочувствителъных детекторов по первому каналу пропускается только полезный сигнал, который затем измеряется показывающим или регистрирующим прибором. По второму каналу проходит только сигнал, пропорциональный , который затем по цепи отрицательной обратной связи поступает на вход схемы и компенсирует трансформаторную ЭДС. Электромагнитные расходомеры имеют много достоинств. Они могут применяться на трубопроводах практически любых диаметров без ограничения верхнего предела по расходу. Их показания не зависят от вязкости и плотности среды. Шкала прибора линейная, диапазона измерения обычно равен (0,1 1) . Преобразователь расхода практически безынерционный, не имеет частей, выступающих внутрь трубы, и, таким образом, практически не создает потери давления. Влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем у расходомеров с сужающими устройствами, поэтому требуемая длина прямых участков для них меньше (обычно считается достаточной длина прямых участков до преобразователя, равная 10 ). В принципе возможно создание расходомера с таким профилем магнитного поля, при котором необходимость в прямых участках до и после преобразователя отпадает вообще.

Электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других типов затруднено 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 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. Наиболее точным являются расходомеры типа ИР-51 класса 1, имеющие диаметры условного прохода 10—300 мм и верхние пределы измерения 0,32— 2500 м³/ч.