СКАЧАТЬ:  raskhodomery_peremennogo_urovnya.zip [426,21 Kb] (cкачиваний: 69)

Расходомеры переменного уровня.

Принцип действия основан на измерении высоты уровня жидкости, свободно истекающей через отверстие в дне или боковой стенке сосуда.

Ограничения: не могут работать при избыточном давлении.

Достоинства: могут работать при неполном заполнении

трубы или при движении жидкости по открытому латку.

Ограничения: не могут работать при избыточном давлении.

Достоинства: могут работать при неполном заполнении

трубы или при движении жидкости по открытому латку.

  - уравнение расхода для диафрагмы

Недостаток: нелинейность статической характеристики (из-за того, что отверстие в дне). Для его устранения используют профильные отверстия, расположенные в боковой стенке сосуда.

 Такие расходомеры называются щелевыми.

                                                                  Профиль бокового отверстия.                       

                                                                                      Выделим элементарную площадку.

Проинтегрируем:

 - зависимость х от y для формы отверстия, чтобы была линейная характеристика.

При расчетах задаются α = 0,7.

Принцип действия расходомера, счетчика воды:

   Чувствительный элемент расходомера воспринимает динамическое давление потока и перемещается под его воздействием на величину зависящую от расхода.

   Расходомеры обтекания классифицируются по трем группам:

1. Расходомеры с обтекаемым телом, которое перемещается вертикально, а сила противодейтсвия создается весом тела. В расходомерах данной группы перепад давления остается постоянным.

2. Расходомеры с обтекаемым телом перемещающимся не только по вертикальной траектории, благодаря противодействующей пружине, при этом изменяется перепад давления.

3. Расходомеры, имеющие поворотную лопасть. Сила противодействия в таких расходомерах создается не только весом тела и противодействующей пружиной, но посторонним источником энергии.

Разновидности расходомеров обтекания:
- поплавковые расходомеры
- поршневые расходомеры
- поплавково-пружинные расходомеры
- расходомеры обтекания с электромагнитным уравновешиванием
- шариковые расходомеры обтекания
- расходомеры с поворотной лопастью с грузовым и с пружинным уравновешиванием
- компенсационные расходомеры с поворотной лопастью

Расходомеры обтекания.

Принцип действия основан на дросселировании потока сужающим устройством переменного сечения. Типичный представитель – ротаметр.

При измерении меняется положение поплавка внутри трубки. В поплавке наклонные отверстия, чтобы он крутился и не касался стенок.

Силы, действующие вниз:

  - вес поплавка

 - плотность материала поплавка.

 - плотность измеряемой среды.

Силы, действующие вверх:

1)  - сила, возникающая из-за перепада давления.

S – наибольшее сечение поплавка.

Р₁, Р₂ – давление до и после поплавка

2)  - сила динамического напора на поплавок.

 - коэффициент обтекания.

3)  - сила трения о боковую поверхность

υ_к - скорость в кольцевом зазоре

n – зависит от числа Re.

(n=1 – ламинарный режим, n=2 – турбулентный режим)

-коэффициент трения (определяется состоянием поверхности поплавка).

 - площадь боковой поверхности поплавка.

При расчете  и  пренебрегают:

Поэтому эти расходомеры часто называют расходомерами постоянного перепада давления.

Вывод уравнения расхода базируется на уравнении Бернулли и условии неразрывности

h – расстояние между сечениями 1 и 2 (берут высоту поплавка)

S_k – площадь кольцевого зазора.

Чтобы получить линейную шкалу трубка должна быть параболической формы.

Достоинства ротаметра: линейность шкалы, могут применяться малые расходы.

Ротаметры изготавливают со стеклянной трубкой с делениями – для небольших давлений, и состальной трубкой – для более высоких давлений. Поплавок связан с системой передачи показаний на расстояние (до 64 атм).

Достоинства ротаметра: 

• равномерная шкала
• широкий рабочий диапазон

Недостатки:

• используется для небольших расходов

Расходомеры скоростного напора. 

Принцип действия основан на измерении динамического напора потока.

Область применения: измерители расхода газов в трубопроводах больших и некруглых сечений.

 ;   Рполное = ρυ²/2 + Р + ρgh

  =>    - скорость потока

Трубка Пито.

Рст – статическое давление

Рдин – динамическое давление

Для промышленных целей используются трубки Прандтля. В них совмещены статическое и полное давления.

 ε – постоянная напорной трубки

Трубка Прандтля (названная в честь Прандтля)— аэродинамический прибор для измерения динамического давления. Прибор представляет собой комбинацию трубки Пито и напорной трубки для измерения статического давления потока. В трубке Прандтля имеется одно отверстие в направлении потока для измерения полного давления и несколько отверстий по кольцу вдоль поверхности трубки на некотором расстоянии от ее острия для измерения статического давления. Разница между давлениями может быть измерена с помощью манометра, согласно закону Бернулли эта разница является динамическим давлением. Установившееся в трубке динамическое давление приближённо равно

где  — плотность движущейся (набегающей) среды;

       — скорость набегающего потока;

       — коэффициент.

Этот прибор также называется расходомером скоростного напора Прандтля, так как позволяет вычислить скорость, а, следовательно, и расход в заданном сечении.

С помощью напорной трубки можно определить лишь местную скорость (скорость в данном сечении). Для определения расхода надо получить среднюю скорость потока.

Существует 3 способа определения средней скорости:

Ламинарный режим:     l = 0,293R 

1. 

Установка напорной трубки на определенном расстоянии от внутренней стенки трубы.

Турбулентный режим:     l = 0,223R

2.  Использование зависимости: ,

где  задается либо аналитически, либо графически.

Трубку располагают по оси потока и определяют (измеряют) υ_max. По υ_max  рассчитывают Re и по графику находят υ_ср .

3.  Способ заключается в условном разбиении внутреннего сечения трубы на несколько равновеликих участков и определении скорости в каждом из этих участков. Далее все скорости суммируются.

Вихревые расходомеры. 

Вихревыми называются расходомеры, расход которых зависит от частоты колебания давления. Колебания давления возникают в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи либо после препятствия определенной формы, установленного в трубопроводе, либо специального закручивания потока.

Первые вихревые расходомеры жидкости появились в шестидесятых годах в США, Японии и СССР. Первые разработки вихревых расходомеров газа и пара в России относятся к 90-м годам прошлого века.

Принцип действия расходомера:

   Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения обтекающих его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За телом обтекания начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне – пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, отрывается и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препятствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка, называемая дорожка Кармана. Количество образуемых вихрей пропорционально расходу. При подсчете частоты вихрей могут использоваться различные преобразователи (пьезокерамические, акустические, электромагнитные).

Вихревая дорожка Кармана за круговым цилиндром при Re=105.

К достоинствам таких расходомеров следует отнести:

• Простоту и надежность преобразователя расхода;
• Отсутствие подвижных частей;
• Большой диапазон измерений;
• Линейный измерительный сигнал;
• Достаточно высокую точность измерения;
• Стабильность показаний;
• Независимость показаний от давления и температуры;
• Сравнительная несложность измерительной схемы;

Возможность получений универсальной градуировки.

Недостатки вихревых расходомеров

• Невозможно использовать при малых скоростях потока (трудно измерять сигналы с маленькой частотой колебаний);
• Значительная потеря давления (может достигнуть 30-50 кПа);
• Изготавливают для труб имеющих диаметр  от 25 до 150-300 мм (применение в трубах большего диаметра затруднительно, а в трубах меньшего диаметра – вихреобразование нерегулярно);
• Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные пульсации (такие помехи создаются различными источниками: насосами, компрессорами, вибрирующими трубами и т. д.).

Устранить помехи можно:

1.  Установив электрические фильтры (если частоты вредных пульсаций и измерительного сигнала разные);

2.  С помощью струевыпрямителя  (его устанавливают на выходе преобразователя);

3.  Установив дополнительный  преобразователь, который подключают встречно первому.

По типу преобразователя вихревые расходомеры  можно разделить на три группы:

1.  Расходомеры, первичным преобразователем расхода которых является неподвижное тело. В них, после обтекания неподвижного тела, с обеих сторон по очереди возникают срывающиеся вихри, которые и создают пульсацию.

2.  Расходомеры, в  первичном преобразователе которых поток закручивается и, попадая в расширенную часть трубы, принимая воронкообразную форму (прецессирует) создает пульсации давления.

3.  Расходомеры, в которых в качестве первичного преобразователя выступает струя. Пульсации давления в этом случае создаются автоколебаниями струи, при вытекании ее из отверстия.

Термин вихревой расходомер применим только к приборам первых двух групп.  Но так как у расходомеров третьей группы движение потока определяется  колебательным характером  изменения параметров, их  тоже можно отнести к вихревым расходомерам.  В первой и третьей группах расходомеров характеры протекания процессов будут наиболее похожими.

Вихревые расходомеры с обтекаемым телом

Дорожка Кармана (схема образования вихрей),

где 1- трубопровод, 2- тело обтекания, 3- вихри.

Поток, огибая тело, меняет направление движения обтекающих струй и увеличивает их скорость, при этом соответственно  уменьшается давление. Далее за миделевым сечением тела происходит уменьшение скорости и увеличение давления. Одновременно на передней стороне тела образуется повышенное давление, а на задней стороне тела — пониженное давление. Пограничный слой, пройдя миделево сечение тела, отрывается от него и под воздействием пониженного давления, которое образуется за телом, меняет направление движения, создавая вихрь. Это происходит и в верхних, и в нижних частях обтекаемого тела. Образование вихрей с обеих сторон происходит поочередно, так как вихрь с одной стороны мешает образованию вихря с другой. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана (по имени фон Кармана, описавшего это явление в 1912 году).

Рабочие кромки тела обтекания являются самоочищающимися за счёт образования вихрей, и остаются чистыми в условиях сильно загрязнённых сред.

Загрязнение датчика вихрей не ведёт к изменению метрологических характеристик вихревого расходомера, так как полезную информацию несёт частота, а не амплитуда сигнала.

Частота срыва вихрей пропорциональна отношению скорости потока к размерам тела обтекания. При постоянном характерном размере тела частота пропорциональна скорости, а значит и объемному расходу.

Если при минимальном расходе вещества скорость в трубе будет достаточной для устойчивого образования вихрей, то расходомер с цилиндрическим обтекаемым телом может иметь диапазон измерения 20.

Чаще всего в вихревых расходомерах применяют призматические тела прямоугольной, треугольной или трапецеидальной (дельтообразной) форм. У последних основание обращено навстречу потоку. Такие тела, несмотря на небольшую потерю давления, образуют сильные и регулярные вихревые колебания. Кроме того, они удобны для преобразования частоты в выходной сигнал.

У некоторых вихревых расходомеров для увеличения выходного сигнала применяют два обтекаемых тела, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. У ряда приборов тела обтекания — прямоугольные призмы. На боковых гранях второй призмы по потоку устанавливаются защищенные плоскими гибкими мембранами пьезоэлементы, что исключает влияние шумовых помех.

В таких расходомерах используется несколько вариантов преобразования вихревых колебаний потока в выходной сигнал. В основном используются периодические колебания давления или скорости струй с двух сторон обтекаемого тела. Один или два полупроводниковых термоанемометра являются чувствительным элементом преобразователя. В вихревых расходомерах различных фирм применяют следующие типы преобразователей расхода: индуктивный, емкостной, струнный, интегрирующий, ультразвуковой и т.д.

Преобразователь вихревого расходомера с пьезоэлементами (1,2-электроды; 3,4- пьезоэлементы; 5- обтекаемое тело)

На рисунке  показана схема  преобразователя с телом обтекания треугольной  формы, которое вибрирует в направлении, перпендикулярном к потоку, под влиянием пульсации давлений на его боковых сторонах. Изгибные напряжения воспринимаются пьезоэлементами. Электроды пъезодатчиков  включают навстречу друг другу, для того, чтобы вредные вибрации тела обтекания и трубопровода в меньшей степени влияли на выходной сигнал (разности напряжений). Такой преобразователь можно применять в различных условиях измерения (при температурах до 400 °С и давлениях до 15 МПа).

Вихревые расходомеры с телом обтекания треугольного, трапецеидального и квадратного типов предназначены для труб диаметром от 50 до 300 мм, погрешность измерения составляет ±0,5-2 %.

Важно помнить: перед вихревым расходомером с обтекаемым телом нужно иметь прямой участок трубы.

Использование вихревых расходомеров для труб большого диаметра (300-350 мм) затруднено:

• вследствие совпадения частоты свободных колебаний тела с частотой срыва вихрей,
• из-за низкой эффективности вихреобразования,
• при малых значениях относительного диаметра обтекаемого тела и неприемлемости больших его значений,
• из-за громоздкости и уменьшения частоты вихреобразования.

Вихревые расходомеры с прецессией воронкооразного вихря

Преобразователи этих расходомеров имеют приспособление, закручивающее поток, направляемый затем через короткие цилиндрические насадки или участок трубы в ее расширенную часть. В трубе вращающийся поток принимает воронкообразную форму, а его ось, вокруг которой вращается ядро вихря, сама вращается вокруг оси трубопровода. При этом давление на внешней поверхности вихревого потока пульсирует синхронно с угловой скоростью вращения ядра вихря, пропорциональной линейной скорости потока или объемному расходу. Для преобразования частоты пульсаций давления или скорости в измерительный сигнал применяются пьезоэлементы или полупроводниковые термоанемометры. Преобразователь состоит из двух ступеней – в 1-й происходит преобразование объемного расхода потока в частоту прецессии воронкообразного вихря, а во 2-й – преобразование этой частоты в измерительный сигнал.

Две возможные принципиальные схемы первой ступени преобразователей таких расходомеров отличающиеся лишь способом закручивания потока.

схемы первой ступени вихревых преобразователей

(а - с винтовым завихряющим устройством,

б- с тангенциальным вводом в камеру)

На рисунке б) жидкость или газ по трубе 1 входит  тангенциально (т.е. по касательной) в цилиндрическую камеру 4, где закручивается и, через парубок 3, поступает в трубу или камеру большего диаметра 2. Там поток прецессирует, что сопровождается пульсациями скорости и давления. На рисунке а) поток вещества закручивается спирально расположенным лопаткам. В остальном схемы одинаковы.

Чаще всего в расходомерах применяют завихряющее винтовой устройство, так как оно не требует перед собой прямых участков трубы. Однако, потеря давления в этом завихряющем устройстве выше.

Вихревые расходомеры с осциллирующей струей

Преобразователь с осциллирующей струей может быть двух видов

Релаксационный преобразователь вихревого расходомера с осциллирующей струей

(1-сопло, 2- диффузор,3- обводная трубка)

Как показано на рисунке, поток жидкости или газа проходит через сопло и попадает в диффузор прямоугольного сечения. Вследствие случайных причин поток в каждый момент в большей степени прижимается к той или другой стенке диффузора (например к верхнему) и благодаря эжектирующему действию струи в преобразователе релаксационного типа давление в верхней части обводной трубки станет меньше давления в нижней ее части и по трубке возникнет движение, показанное стрелкой, которое перебросит струю к нижней стенке диффузора. Далее направление движения в обводной трубке изменится, и струя будет осциллировать.

В преобразователе с обратной гидравлической связью струя, прижатая к нижней стенке диффузора, не вся удаляется через выходной патрубок. Часть ее ответвляется в верхний обводной канал и, выходя через сопло1, перебрасывает струю, выходящую из сопла2, в нижнее положение. После этого произойдет ответвление части струи в верхний обводной канал, струя будет переброшена вниз и наступит процесс ее колебаний, сопровождающийся синхронными колебаниями давлений с обеих сторон струи. Последний преобразователь с обратной связью лучше. Он обеспечивает более строго процесс осцилляции и имеет почти линейную зависимость между расходом и частотой колебания.

Преобразователь вихревого расходомера с колеблющейся струей с обратной гидравлической связью (1-дифузор 2- выходной парубок, 3- сопло1,

4-сопло2, 5-верхний отводной канал,6-нижний обводной канал)

Расходомеры с осциллирующей струей обычно используют в трубах меленьких диаметров: от 12 до 100 мм. Иногда преобразователи с осциллирующей струей могут применять в качестве парциальных преобразователей.

Несмотря на довольно продолжительное время освоения этих приборов в измерительной технике, теория и практика вихревых расходомеров непрерывно развивается и совершенствуется. Идут поиски лучших схемных решений, более эффективных и технологичных конструкций первичных преобразователей расхода.

Вихревые расходомеры газа серии YEWFLO представляют собой интеллектуальные датчики расхода и предназначены для измерения объемного расхода жидкости, пара или газа. Вихревые расходомеры пара измеряют частоту вихрей с помощью вихреобразователя, внутри которого находятся пьезодатчики, преобразующие вибрацию вихреобразователя в электрический частотный сигнал.

Принципе измерения вихревого расходомера газа, вихревого расходомера пара...

Последняя модель вихревых расходомеров газа  серии YEWFLO, называемая digitalYewflo (DY), принципиально отличается от предыдущей версии тем, что в ней применяется новая уникальная цифровая электроника, использующая разработанную фирмой Иокогава технологию спектральной обработки сигнала «SSP». Благодаря этому, вихревой расходомер пара теперь постоянно анализирует вибрацию, состояние среды внутри себя и, используя эти данные, автоматически подстраивает режимы обработки сигнала, а также вовремя информирует оператора или устройства верхнего уровня о нештатных режимах потока и вибрации, если таковые возникают.

У модели вихревого расходомера газа digitalYewflo также имеется модификация, обладающая способностью одновременно с расходом измерять через встроенный в виреобразователь термометр сопротивления еще и температуру рабочей среды. С помощью этой функции теперь вихревой расходомер пара может самостоятельно рассчитывать и выдавать массовый расход при измерении расхода жидкости и насыщенного пара (в память электронного блока "зашита" зависимость плотности насыщенного пара от температуры).

Кроме того, 2 выходных сигнала (токовый 4...20 мА и импульсный) позволяют вихревому расходомеру газа передавать на верхний уровень одновременно информацию как о расходе, так и о температуре рабочей среды. Технические характеристики вихревого расходомера газа

• Измеряемая среда
• газ, пар, жидкость (за исключением многофазных, агрессивных и клейких сред)
• Погрешность
  - Жидкость: ±0,75% от текущего значения
  - Газ и пар: ±1% от текущего значения (при скорости потока до 35 м/с)
  ±1,5% от текущего значения (при скорости потока от 35 м/с до 80 м/с)
• Выходные сигналы
  4…20мА, импульсный (частотный) сигнал, статус, цифровая связь (BRAIN или HART протокол), Foundation Fieldbus 
• Дополнительные функции коррекция аппаратной ошибки, самодиагностика, коррекция по числу Рейнольдса
• Максимальное рабочее давление
• определяется номиналом фланца
• Температура рабочей среды
• -40…+260⁰С – базовая модель
• -200…+100⁰С – низкотемпературное исполнение
• -40…+450⁰С – высокотемпературное исполнение 
• Температура окружающей среды
• -40…+85⁰С (-30…+80⁰С – с индикатором)
• Конструктивное исполнение
• IP67, искробезопасное, взрывонепроницаемое
• Внесены в ГОСРЕЕСТР
• Расходомеры поставляются с первичной поверкой Госстандарта
• Межповерочный интервал
• 4 года

ЭМИС-ВИХРЬ интеллектуальный вихревой расходомер (узел учета расхода)

Назначение: Вихревые расходомеры ЭМИС-ВИХРЬ предназначены для измерения:

• - расхода проводящих жидкостей (напр. воды или водных растворов)
• - расхода неэлектропроводных жидкостей (напр. светлых нефтепродуктов или спиртов)
• - расхода агрессивных сред (напр. серной кислоты или щелочей)
• - расхода смесей жидкость+жидкость (напр. нефти с водой)
• - расхода природного и технических газов (напр. сжатого воздуха)
• - расхода насыщенного (влажного) и перегретого (сухого) пара

По типам измеряемой среды вихревые преобразователй ЭМИС-ВИХРЬ являются универсальными, ограничение накладывается лишь на вязкость жидкостей.

Принцип действия: Принцип измерения основан на образовании вихрей за препятствием (телом обтекания), стоящим на пути потока среды. Согласно физическому закону Кармана, частота пульсаций вихрей за телом обтекания строго пропорциональна скорости потока измеряемой среды. За вихреобразователем расположено крыло сенсора, которое изгибается под воздействием вихрей. Изгибные напряжения воспринимает пьезоэлемент, преобразуя механический сигнал в электрический. Такой тип вихревых расходомеров носит название "Вихревые расходомеры изгибных напряжений". Конструкция пьезоэлемента позволяет отсекать вредные сигналы вибрации и температуры на 1-ом этапе преобразования. 2-ой этап преобразования происходит в электронном блоке прибора: сигнальный процессор проводит спектральную обработку сигнала, отсекая вредные гармоники, а также проводит коррекцию полезного сигнала по температуре и числу Рейонольдса.

Вихреакустический расходомер

Назначение:

Вихреакустические расходомеры и счетчики предназначены для измерения объемного расхода водопроводной, технической воды, теплофикационной воды и водных растворов.

Принцип действия вихреакустических расходомеров:

Измерение частоты образования вихрей за телом обтекания, пропорциональной изменению скорости потока. Частота вихреобразования производится при помощи ультразвуковых детекторов.    

Состав расходомера, счетчика:

Расходомер состоит из тела обтекания трапецеидальной призмы, пьезоизлучателя, пъезоприемника и термодатчика. На входе потока установлено тело обтекания, за которым образуется вихревая дорожка, частота вихрей которой пропорциональна скорости потока, и соответственно расходу.

Термодатчик служит для температурной коррекции в области малых расходов, так как в этой области характеристика преобразователя нелинейна

Рассмотрим цилиндр, на который набегает поток.

Т – период вихреобразования

u – скорость вихря

Впервые частота вихревого звука была исследована Струхалем на примере звучания струны в потоке воздуха и введен критерий Струхаля (Sh):

S – площадь поперечного сечения трубы

В современных расходомерах используют треугольные призмы. В призме 2 отверстия (канала)

В таких расходомерах предусмотрены меры для борьбы с акустическими помехами, которые возникают при вибрации трубы, работе насоса.

Акустические помехи действуют в фазе на выходной сигнал, а вихревые находятся в противофазе, поэтому при использовании двух каналов они вычитаются.

Электромагнитные (индукционные) расходомеры.

 Схема и принцип действия электромагнитного расходомера с поперечным магнитным полем:
1 – трубопровод; 2 – полюса магнита; 3 – электроды для съема ЭДС;                                 4 – электронный усилитель; 5 – отсчетная система; 6 – источник питания магнита

Принципиальная схема электромагнитного расходомера:

1 - трубопровод; 2 - полюса магнита;

3 - электроды для съема ЭДС;

Принцип действия основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнитного поля.

Наиболее часто применяют такие электромагнитные расходомеры, у которых измеряется электродвижущая сила (ЭДС), индуктируемая в жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого между полюсами магнита или электромагнита устанавливают участок трубопровода, который изготовлен из немагнитного материала и внутри покрыт неэлектропроводной изоляцией, вводятся два электрода в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Это известный закон электромагнитной индукции - закон Фарадея.

Индуцируемую разность потенциалов Е на электродах 3 определяют по уравнению электромагнитной индукции:

E = - KBDv_cp

где В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; v_cp – средняя скорость потока жидкости;             D – внутренний диаметр трубопровода; К – коэффициент, зависящий от вида магнитного поля.

Для случая постоянного магнитного поля К = 1. Если же магнитное поле изменяется во времени t с частотой f, то K = sin2πft [4].

Магнитное поле создается источником питания магнита. ЭДС, снимаемую с электродов, при помощи электронного усилителя  преобразуют в усиленный электрический сигнал, регистрируемый отсчетной системой .

Выражая в уравнении среднюю скорость потока через объемный расход измеряемой среды, получим уравнение измерений электромагнитных расходомеров:

где В – магнитная индукция; D – расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; v – средняя скорость; Q₀ – объёмный расход жидкости.

Из формулы видно, что измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объёмному расходу жидкости Q₀.

Таким образом, электромагнитные расходомеры могут быть выполнены как с постоянными, так и с электромагнитными, питаемыми переменным током частотой. Эти электромагнитные расходомеры имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Достоинства:

• применяется для загрязненных жидкостей, т.к. нет участков, где скапливается грязь. 
• Характеристика линейная. 

    Недостатки:

• изменение во времени магнитной индукции (из-за старения магнита) 
• на постоянном магнитном поле возникает поляризация электродов. 

Для устранения этих недостатков используют переменное магнитное поле. 

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.

Электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем

Переменное магнитное поле сводит до минимума поляризацию электродов, благодаря чему широко применяется в расходомерах.

Однако применение такого поля имеет ряд ограничений:

1.  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.).

2.  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.

3.  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.

4.  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.

5.  Возможны помехи из-за блуждающих токов и внешних электромагнитных полей.

6.  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.

7.  Индукция магнитного поля не должна быть более 0,25-0,3 Тл, так как её увеличение вызовет усиление помех и рассеяния магнитного потока.

8.  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.

Электромагнитные расходомеры с импульсным магнитным полем низкой частоты

Применение переменного магнитного поля связано со значительными помехами и ограничениями, которые проявляются сильнее с увеличением частоты поля. Поэтому, если не требуется измерение быстропеременных расходов, часто снижают обычную частоту (50 Гц) магнитного поля. Это даёт ряд преимуществ:

1.  Полностью исчезает влияние внешних помех промышленной частоты.

2.  Почти полностью устраняется влияние вихревых токов, благодаря чему существенно упрощается создание преобразователей расхода на высокое давление.

3.  Снижается влияние собственных индукционных и емкостных помех.

4.  Снижается потребление электроэнергии.

5.  Возможен отказ от шихтованного магнитопровода.

6.  Упрощается изготовление благодаря исключению экранировки электродов и измерительных цепей.

Основными достоинствами расходомеры с импульсным магнитным полем являются: более высокая точность измерения по сравнению с переменным полем синусоидальной формы промышленной частоты (относительная погрешность (0,2-0,5)%); значительно меньшая затрачиваемая мощность.

Метрологические характеристики и область применения электромагнитных расходомеров

Погрешность электромагнитных расходомеров определяется в основном погрешностями их градуировки и погрешностями измерения разности потенциалов ЭДС. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие, на данный момент не позволяют получить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров.

Тем не менее электромагнитные расходомеры широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строительстве, в медицине, так как они малоинерционные в сравнении с расходомерами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро меняющихся расходов.

Гидравлические потери на приборе минимальны, потому что первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода, сужений или изменений профиля. Эти расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленности, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды, так как преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и коагулирование измеряемого продукта.

На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, а также физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.), если они не изменяют её электропроводность.

Электромагнитные расходомеры можно монтировать в любом положении на расстояниях, равных не менее 20 диаметров трубопровода после местных сопротивлений и не менее восьми диаметров до местных сопротивлений. Также конструкция первичных преобразователей позволяет применять новейшие изоляционные, антикоррозийные и другие покрытия, что даёт возможность измерять расход агрессивных и абразивных сред.

Отмеченные преимущества и обеспечили достаточно широкое распространение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную конструктивную сложность и необходимость тщательного каждодневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройка и т.п.).

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3*10-9 м³/с) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м³/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 10:1, т. е. достаточно велик.

Но расходомеры данного типа непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с малой электропроводностью, что является их существенным недостатком. Но применение разрабатываемых в настоящее время специальных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.

Подведя итоги, можно выделить следующие основные достоинства и недостатки электромагнитных расходомеров.

Достоинствами электромагнитных расходомеров являются:

• независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества;
• возможность реализации метода для очень больших диаметров трубопроводов и отсутствие при этом дополнительного динамического сопротивления;
• линейность шкалы;
• необходимость в меньших длинах прямых участков труб, чем у других расходомеров;
• высокое быстродействие;
• возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей;
• работоспособность при высоких давлениях среды – вплоть до 100 МПа.

К недостаткам следует отнести:

• невозможность использования расходомеров для непроводящих жидкостей (углеводороды, аммиак, кислоты и др.);
• наличие дополнительной погрешности от величины электропроводности жидкости;
• возможность отложения магнетита на стенках измерительного трубопровода расходомера и значительное увеличение погрешности при наличии окислов железа в воде;
• необходимость разрезки трубопровода, приварки фланцев и установки измерительного трубопровода, что часто невыполнимо.