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 доСм/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 , гдеВ — 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 преобразователянеобходимо 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 приQ =0. Обе эти особенности используются для уменьшения влияния на показания прибора. Значениеможно уменьшить, располагая проводаАВ (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° междуив 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 (0,11).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.