Электромагнитные расходомеры

Действие электромагнитных расходомеров (ЭМР) основано на открытом Фа- радеем принципе электромагнитной индукции - возникновении электрического тока в проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Причиной появления тока в контуре является сила, вызывающая раз­деление заряженных частиц (электронов, ионов), - сила Лоренца, или электро­движущая сила (ЭДС) магнитной индукции, она всегда направлена перпендику­лярно силовым линиям магнитного поля и направлению движения проводника в поле. В случае проводников с электронным типом проводимости (металлов) сила Лоренца отделяет подвижные электроны от неподвижных положительных ионов кристаллической решетки, создавая их направленное движение, а в случае сред с ионным типом проводимости (электролитов) задает упорядоченное разнонаправ­ленное движение положительных и отрицательных ионов электролита. Измеряя ЭДС, индуктируемую в проводящей среде при пересечении ею магнитного поля, можно определить скорость движения среды, а зная живое сечение потока среды, - и ее объемный расход.

Типовая конструкция ЭМР представлена на рис. 6.8.

Устройство содержит ПП и ЭП, которые конструктивно выполняются в виде единого блока (компактное исполнение) либо двух отдельных блоков, соединяе­мых кабелями связи (раздельное исполнение). В состав ПП входят немагнитный измерительный участок трубы (изнутри покрыт по всей поверхности слоем элек­троизоляционной и коррозионно-стойкой футеровки, например фторопластом или керамикой) с фланцами или другими стыковочными элементами для присоедине­ния к рабочему трубопроводу, два одинаковых металлических электрода, расположенных друг против друга по диаметру канала, и магнитная система из кату­шек электромагнита и магнитопровода. Электропитание магнитной системы, при­ем и обработка измерительного сигнала от электродов, накопление измеритель­ных данных и связь с АСУТП, АСКУЭ осуществляется через ЭП.

Рис. 6.8. Конструкция и принцип действия электромагнитного расходомера

При движении жидкой электропроводящей среды со скоростью U между по­люсами N - S магнитной системы, которая создает в трубе с внутренним диамет­ром D однородное поле с магнитной индукцией В, на заряды Q среды (положи­тельные q+ и отрицательные q- заряды) действуют силы Лоренца F_q+ и F_q_, разде­ляющие эти заряды и создающие на электродах ЭДС Е = BUD. Для круглого се­чения трубы, полностью заполненного средой, Е = 4BGv/ttD или, другими слова­ми, прямо пропорциональна объемному расходу Gy среды, однозначно определя­ется при известных значениях В и D и не зависит от таких параметров среды, как вязкость и плотность.

Электромагнитные расходомеры классифицируются по роду магнитного по­ля на ЭМР постоянного и переменного поля, по виду поля - на ЭМР однородного и весового поля, по типу переменного поля - на ЭМР синусоидального и им­пульсного поля, по частоте переменного поля - на ЭМР промышленной и низкой частоты, по типу электродов - на ЭМР с гальваническими и емкостными электро­дами, по виду электродов - на ЭМР с точечными и пластинчатыми электродами, по виду сечения измерительного канала ПП - на ЭМР с круглым и прямоуголь­ным сечением.

ЭМР постоянного магнитного поля, или поля, напряженность которого не меняет во времени своего значения и направления в среде, т. е. B(t) = const, при­меняются в основном для измерения расхода жидких сред с электронной прово­димостью (расплавов металлов). Главный недостаток подобных ЭМР - поляриза­ция электродов, направленная против измеряемой ЭДС.

Переменное магнитное поле сводит до минимума явление поляризации и по­этому широко используется в расходомерах обычных жидкостей с ионной проводимостью. В расходомерах первых поколений использовалось синусоидальное магнитное поле, генерируемое в электромагнитной системе током промышленной частоты. Однако такое поле создает целый ряд помех и ограничений: порождает паразитную трансформаторную ЭДС в контуре, образованном электродами, вы­водными проводами и ЭП; наводит вихревые токи Фуко в магнитопроводе и стенках трубы, которые ослабляют основное магнитное поле; делает расходомеры чувствительными к блуждающим токам и внешним электромагнитным помехам промышленной частоты; требует применения специальных конструктивных мер защиты от влияния паразитных емкостей и электромагнитных помех.

Переход к переменному магнитному полю низкой частоты (деление про­мышленной частоты) сопровождается, как правило, заменой синусоидального то­ка питания электромагнита импульсным от источника питания постоянного тока, что гарантирует высокую стабильность магнитной индукции в среде на момент измерения сигнала ЭДС.

Полная независимость показаний расходомера от протяженности прямых участков трубопровода достигается в ЭМР не с круглым, а с прямоугольным се­чением канала и с электродами в виде прямоугольных пластин, равных по высоте боковым стенкам канала. Любая деформация потока не искажает показания таких расходомеров, но прямоугольный канал создает определенную потерю давления в трубах круглого сечения.

Помимо электродов, гальванически связанных со средой, в ЭМР применяют­ся емкостные электроды, не имеющие контакта с ней. Их принцип действия осно­ван на электростатической индукции заряда, создаваемого в среде в результате электромагнитной индукции, - принципе конденсатора. Такие ЭМР приемлемы для измерения расхода сред как с очень малой электропроводностью, так и за­грязненных, химически агрессивных и абразивных.

Таким образом, ЭМР обладают следующими достоинствами: отсутствием подвижных изнашивающихся частей; отсутствием потерь давления; независимо­стью показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества; возможностью измерения агрессивных, абразивных и вязких сред; минимальными прямыми уча­стками или их полным отсутствием; широким динамическим диапазоном измере­ний, высокой точностью, линейностью шкалы и высоким быстродействием.

Рис. 6.9. Общий вид ЭМР ВЗЛЕТ ЭР

Характеристики некоторых распространенных ЭМР отечественного и зару­бежного производства приведены ниже.

Крупнейшим российским разработчиком ЭМР является московский НИИтеплоприбор. В институте разработан и освоен в промышленном производ­стве комплекс расходомеров РОСТ. Основным производителем комплекса явля­ется ПО Машиностроительный завод "Молния". Во всех расходомерах использу­ется низкочастотный импульсный способ питания электромагнитной системы. Для подключения к АСКУЭ предусмотрены унифицированные токовые, частот­ные и цифровые выходы (RS-232, 485).

На рис. 6.9 представлен общий вид электромагнитного расходомера - счетчи­ка ВЗЛЕТ ЭР (ЗАО ВЗЛЕТ, Санкт-Петербург).

Известными поставщиками высокоточных ЭМР являются фирмы: Danfoss (Дания), Honeywell (США), международная группа фирм Endress & Hauser, Fisher- Rosemount (американская компания) и другие зарубежные производители.