Електромагнитни разходомери

Принципът на действие на електромагнитните разходомери се основава на закона за електромагнитната индукция, според който ЕМП се индуцира в електропроводима течност, пресичайки магнитно поле, пропорционално на скоростта на течността. Серийните електромагнитни разходомери са предназначени за измерване на потока на течности с електрическа проводимост най-малко 10 -3 S/m (съответства на електрическата проводимост на чешмяна вода). Има специални разходомери, които позволяват измерване на потока на течности с електропроводимост до 10 -5 S/m. В момента електромагнитните разходомери са най-разпространените устройства за измерване на водния поток в тръбопроводи с диаметър по-малък от 250 mm. Което се обяснява със следните им положителни качества:

• показанията не зависят от вискозитета и плътността на средата;

• динамичен обхват достига 100 или повече;

• преобразувателите на потока са безинерционни;

• нямат стърчащи в тръбата части и по този начин не създават загуби на налягане;

• влиянието на местните съпротивления е много по-малко от това на другите разходомери, така че необходимата дължина на правите участъци за тях е минимална;

• електромагнитни разходомери се използват на тръбопроводи с диаметър от 2 до 4000 mm;

• електромагнитните разходомери могат да се използват в редица случаи, когато използването на други видове разходомери е трудно или изобщо невъзможно: при измерване на дебит на агресивни, абразивни и вискозни течности, суспензии, течни метали.

Недостатъците на електромагнитните разходомери включват изискванията за минимална стойност на електропроводимостта на измерваната среда, което стеснява обхвата на използване на такиваразходомери. Друг недостатък на разходомерите е ниското ниво на информативен сигнал (µV) и необходимостта от внимателна защита на преобразувателя и комуникационните линии от външни смущения.

Местни и чуждестранни компании произвеждат широка гама електромагнитни разходомери на базата на микропроцесори: MP400 (f. "Rise"), IPRE-1 (Arzamas instrument-making plant), RM-5 (f. "TBN"), ROST 13, TREM-PR (f. "Molniya"), VIS. T (термовизионна камера), RSM-05 (TEM-устройство), VA 2305 (Aswega),

Magne W 3000 PLUS (Honeywell), IMT96 (Foxboro), ADMAD (Yokogawa), SITRANS FM (Siemens) и др. Освен цифрови показания и токов изходен сигнал, тези устройства могат да имат импулсен изход, RS-232, RS-485 интерфейси, а в някои случаи HART-, BRAIN- и Profibus протоколи.

Принципната схема на първичния преобразувател на електромагнитния разходомер е показана на фиг. 1, а.

Ориз. 1. Схема на преобразуватели на електромагнитни разходомери:

a - с външен магнит: 1 - преобразувател; 2 - електрическа изолация; 3 - електроди; б - с вътрешен магнит; 1 - опростено тяло; 2 - магнит; 3 - електроди; 4 - кабел

Между полюсите на електромагнита е разположена работната част на преобразувателната тръба 1, изработена от немагнитен материал и покрита отвътре с електрическа изолация 2 (гума, емайл, флуоропласт и др.). През стената на тръбата електродите 3 са вкарани изолирано от нея по диаметъра и са в електрически контакт с течността. Силовите линии на магнитното поле са насочени перпендикулярно на равнината, минаваща през оста на тръбата и линията на електродите.

В съответствие със закона за електромагнитната индукция, с осесиметричен профил на скоростта в течност, между електродите ще се индуцира ЕМП.

EMF е право пропорционална на обемаконсумация. Измерването на индуцираната ЕМП се извършва от IP измервателното устройство.

Използването на постоянни електромагнити в разходомери улеснява борбата със смущенията от външни електромагнитни полета и увеличава скоростта на устройството. Основният недостатък на тяхното използване е поляризацията на електродите: концентрацията на отрицателни йони при положителния електрод и положителните йони при отрицателния. В резултат на това на повърхността на електродите се създават потенциали, които образуват поляризационен ЕМП, насочен срещу основния измерен ЕМП, което променя калибровъчната характеристика на устройството и прави невъзможна стабилната му работа. Поради това електромагнитните разходомери с постоянно магнитно поле не се използват за течности с йонна проводимост. Те се използват широко за измерване на дебита на среди с електронна проводимост, като разтопени метали, в които няма поляризационен феномен.

Като пример, на фиг. 1b показва схема на електромагнитен преобразувател на скорост с цилиндричен магнит. Основните елементи на преобразувателя са обтекаемо тяло 1, магнит 2 под формата на цилиндър и електроди 3. В най-простия случай електродите се заваряват към вътрешната повърхност на тялото в диаметрално противоположни точки и се отстраняват от тялото с помощта на кабел 4. Когато течният метал тече около преобразувателя, между електродите се появява потенциална разлика, пропорционална на скоростта на метала.

За измерване на скоростта на потока на среди с йонна проводимост се използват разходомери с променливо магнитно поле, създадено от електромагнит (фиг. 2).

Ориз. 2. Схема на разходомер с променливо магнитно поле

При достатъчно висока честота поляризацията на електродите практически липсва, но употребатаПроменливото магнитно поле има своите недостатъци. Най-сериозният от тях е появата на паразитни трансформаторни ЕМП Et.

Стойността на Et може да бъде намалена чрез поставяне на проводниците A и B (виж фиг. 1, a) в една и съща равнина, успоредна на линиите на магнитното поле. Обикновено, за да се отслаби влиянието на Et, схемата, показана на фиг. 2. В тази схема два проводника се отклоняват от един от електродите, симетрично покриващи тръбопровода от двете страни и затварящи резистора R. Измервателното устройство е свързано към двигателя на този резистор и втория електрод. При нулев поток чрез преместване на плъзгача на резистора е необходимо да се постигне минимален сигнал на входа на измервателния уред.

И двата описани метода не елиминират напълно ЕМП на трансформатора. В съвременните разходомери се използва фазово изместване от 90° между E и Et, за да се елиминира напълно. В този случай измервателната верига съдържа два канала, единият от които е предназначен за измерване на полезния сигнал, вторият за компенсиране на ЕМП на трансформатора. С помощта на фазово-чувствителни детектори през първия канал се пропуска само информативен сигнал, който след това се измерва от показващо или записващо устройство. Само сигнал, пропорционален на Et, преминава през втория канал, който след това се подава през веригата за отрицателна обратна връзка към входа на веригата и компенсира ЕМП на трансформатора.

Повечето от изброените преобразуватели на поток имат външно магнитно поле. Произвеждат се за номинални диаметри 2,5; 5; 10; 15; 25; 32; 40; 50; 80; 100; 150; 200; 300 mm за течности с температура от -40 до 180 °C и налягане до 4 MPa. Разходомерите работят в диапазон на дебит от 0,1. 10 m/s, някои от измервателните уреди са двупосочни, т.е. може да измерва обратни потоци.Границата на основната относителна грешка на общите индустриални преобразуватели е в диапазона от ± (0,5. 1)%.

За захранване на електромагнитите на преобразувателите се използва променлив ток или полувълнов ток с честота 5,7 Hz. В някои разходомери магнитните намотки се захранват с ток с двойна честота от 75 и 6,25 Hz (ADMAG AM, AE, CA). Една от възможностите за елиминиране на ЕМП на поляризацията, която възниква, когато електромагнитът се захранва от еднополюсен пулсиращ ток, който създава магнитен поток с индукция B, е илюстрирана от диаграмата на фиг. 3.

Ориз. 3. Изходен сигнал (меандър) на електромагнитния преобразувател

В момента t 1 към намотката се подава токов импулс, който спира в момента t 3 В момента t 0 поляризационният ЕМП остава върху електродите, тъй като този процес е по-инерционен. Стойността на това напрежение и напрежението, съответстващо на момента t 2, се фиксира от микропроцесора. Разликата между тези сигнали е информативен сигнал, пропорционален на G 0 . Когато електромагнитът се захранва от нискочестотни токови импулси с различна полярност, поляризационният ЕМП за моменти, подобни на t 0, се изважда.

За измерване на дебита в тръбопроводи с диаметър над 300 mm се използва методът за измерване на локалния дебит (както методите „площна скорост“, така и „площна скорост-градиент“). В преобразувателите "площна скорост" електромагнитът се въвежда в потока с помощта на прът на разстояние 0,242 радиуса от стената на тръбопровода.

В тази точка, при осесиметричен поток във фиксиран диапазон от дебити, местната скорост на потока с малка грешка е равна на средната за участъка, т.е. изходният сигнал на преобразувателя се определя от средната скорост и следователно съгласно (13.4) ще бъде свързан с обемния поток. Тип преобразувател сигнал"площ-скорост-градиент" зависи по-малко от асиметрията на профила на скоростта.

Схемата на преобразувателя RM-5-BZ е дадена на фиг. 4.

Ориз. 4. Структурна схема на електромагнитен разходомер RM-5-BZ

Тези преобразуватели използват три скоростомера IS, включително локални скоростни преобразуватели PS и измервателни блокове IS, образуващи измервателния блок PPS. Преобразувателите на скоростта са равномерно разположени по обиколката, като всички те са ориентирани по радиуса на канала. Микропроцесорната обработка на сигналите на три преобразувателя в измервателно-изчислителния блок IVB-1P осигурява измерване на обемния поток в тръбопроводи с диаметър до 5000 mm с относителна грешка от ±(1.5 .. .2)% (RM-5-BZ), при използване на един преобразувател (RM-5-B1) грешката се увеличава до ±(2.3)%. Потапянето на PS в тръбопровода се извършва с помощта на шлюзови камери, което позволява тяхната подмяна и изваждане без изпразване на тръбопровода. Шлюзовата камера е отрязана от тръбопровода с помощта на сферичен кран с проходен отвор за пръта на преобразувателя. При налягания до 2 MPa три гумени пръстена на пръта на преобразувателя осигуряват херметичното му влизане при извършване на следната последователност от операции: вкарване на пръта в шлюза при затворен сферичен кран; ръчно отваряне на сферичния кран; потапяне на пръта на преобразувателя в тръбопровода. За задържане на пръта при отваряне на сферичния кран и подаване на налягане към ключалката, както и за потапяне в тръбопровода се използва специално устройство.

---