Принцип действия
Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внешнего магнитного поля.
Принципиальная
схема электромагнитного расходомера
приведена на рис. 1. Корпус 1 с
цилиндрической вставкой из немагнитного
материала (фторопласта, эбонита и др.),
с перемещающейся в нем жидкостью,
расположен между полюсами 2 и 3 магнита
перпендикулярно направлению силовых
линий магнитного поля. В стенки
трубопровода диаметрально противоположно
(заподлицо с внутренней поверхностью
трубы) заделаны измерительные электроды.
Под действием магнитного поля ионы,
находящиеся в жидкости, перемещаются
и отдают свои заряды измерительным
электродам электромагнитного расходомера,
создавая в них ЭДС Е,
пропорциональную
скорости течения жидкости. К электродам
подключен измерительный прибор 4, шкала
которого отградуирована в единицах
расхода.
Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем
К основным достоинствам постоянного магнитного поля можно отнести:
относительную простоту устройства магнитной системы;
возможность измерения расходов, изменяющихся с высокой частотой;
отсутствие многочисленных помех, возникающих при применении переменного магнитного поля;
возможность измерения расхода веществ с низкой электрической проводимостью.
Но постоянному магнитному полю свойственен существенный недостаток – поляризация электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности, что нарушает нормальную работу расходомера. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из специальных материалов (угольные, каломелиевые) или специальные покрытия для электродов (платиновые, танталовые).
В связи с этим для измерения расхода обычных жидкостей с ионной проводимостью постоянное магнитное поле не применяют. Такое поле может быть использовано для измерения расхода расплавленных металлов, имеющих электронную, а не ионную проводимость.
Также электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем применяют в лабораториях и исследовательской практике при кратковременных измерениях, когда явление поляризации практически не заметно, и при измерении быстропеременных расходов, измерение которых при переменном магнитном поле невозможно.
Величина ЭДС в случае постоянного магнитного поля определяется основным уравнением электромагнитной индукции
E=B*d*vср,
где В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d – внутренний диаметр трубопровода (длина проводника); vср – средняя скорость потока жидкости.
Выразив скорость через объемный расход Q, получим (для трубопровода круглого сечения):
E=4*Q*B/(π*d)
Из этой формулы следует, что при однородном магнитном поле ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу. Электромагнитные расходомеры применяют лишь для жидкостей с электрической проводимостью не ниже 10-3- 10-5 см/м.
Электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем
Для измерения расхода сред с ионной проводимостью применяются расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом (рис.2):
Переменное магнитное поле сводит до минимума поляризацию электродов, благодаря чему широко применяется в расходомерах.
Однако применение такого поля имеет ряд ограничений:
Так как в преобразователе расхода совместно с токами проводимости протекают и токи смещения, то это ограничивает возможность применения переменного магнитного поля с малой электрической проводимостью: менее 10-6 См/м (например, лёгких нефтепродуктов, спиртов и т. п.).
Длина проводов, связывающих преобразователь расхода с измерительным прибором, ограничена емкостным сопротивление между ними и тем больше, чем чем меньше удельная проводимость жидкости. Для точного измерения ЭДС преобразователя нужно, чтобы сопротивление нагрузки во много (100-500) раз превышало сопротивление преобразователя. Влияние ёмкости проводов можно уменьшить следующими способами:
усилитель или первую его ступень отделить от измерительного прибора и установить у преобразователя расхода;
применение проводов с двойным экраном и подача на внутренний экран напряжения, равного по величине напряжению экранируемого провода.
При переменном магнитном поле наряду с полезным сигналом ЭДС возникает паразитная (трансформаторная) ЭДС, когда наводится на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами. Её источником является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторная ЭДС может быть значительно больше полезного сигнала, но обычно составляет 20-30%. Это нежелательное явление можно устранить, уменьшив площадь контура путём расположения плоскости витка, образованного проводниками, идущими от электродов, параллельно силовым линиям магнитного поля. Перемещая проводники можно добиться минимального сигнала помех.
Переменное магнитное поле вызывает появление вихревых токов Фуко как в магнитопроводе, так и в стенках трубопровода и измеряемой жидкости. При большой толщине стенки трубопровода величина этих токов значительна, что приводит к появлению их собственного магнитного поля, которое ослабляет основное магнитное поле.
Возможны помехи из-за блуждающих токов и внешних электромагнитных полей.
Изменение напряжения и частоты питания, а также температуры электромагнита могут вызвать изменение индукции магнитного поля, а следовательно и измеряемой ЭДС. Для устранения этого эффекта напряжение питания электромагнита делают опорным напряжением схемы сравнения.
Индукция магнитного поля не должна быть более 0,25-0,3 Тл, так как её увеличение вызовет усиление помех и рассеяния магнитного потока.
В электромагнитных расходомерах имеется паразитная (шумовая) ЭДС, возникающая от тепловых шумов во внутреннем сопротивлении жидкости между электродами. Это явление ограничивает применение электромагнитных расходомеров для жидкостей с большим удельным сопротивлением.