3.5 Электромагнитные расходомеры

Для измерения расхода различного рода пульп, суспензий, зашламленных и агрессивных жидкостей применяют электромагнитные расходомеры, внешний вид одного из расходомеров приведен на рис. 3.9. На керамический участок трубы (рис. 3.8) монтируется электромагнит, создающий поперечное магнитное поле направлению движения жидкости. Любая жидкость (щелок) является электролитом, содержащим положительные и отрицательные ионы. При перемещении жидкости (ионов) в поперечном магнитном поле на положительные и отрицательные ионы действует сила Лоренца:

где q - заряд иона;

- скорость иона;

В - индукция магнитного поля;

- угол между вектором магнитной индукции и направлением движения ионов.

Из формулы Лоренца следует, что сила не действует на неподвижный заряд. Одновременно следует учесть, что если направление движения иона совпадает с направлением индукции магнитного поля, то сила Лоренца на такой заряд не действует. Следовательно, максимальная сила Лоренца действует на подвижный заряд, движущийся в поперечном магнитном поле.

Чем выше скорость жидкости, тем больше ионов в единицу времени сместится в поперечном направлении и отдаст свой заряд электродам. Сила ампера действует на положительный и отрицательный заряд в противоположных направлениях, и эта сила определяется по правилу левой руки. Рост скорости жидкости (расхода) приводит к росту разности потенциалов в поперечном магнитном поле и определяется по формуле:

где В - индукция магнитного поля;

- скорость движения жидкости;

Q - объемный расход жидкости;

D - диаметр трубы.

Если в трубе создать не постоянное, а переменное магнитное поле (рис. 3.9), то наведенная в трубе ЭДС определяется по формуле:

где D - диаметр трубы в поперечном направлении;

- амплитуда индукции магнитного поля.

Электропроводность жидкости, в которой измеряется расход, должна быть не менее .

Если известна наведенная в электродах ЭДС, то расход жидкости определяется по формуле:

Недостатком схемы является влияние внешнего магнитного поля на показания приборов. Для повышения точности измерений применяют двойной дифференциальный трансформатор, рис. 3.9.

К достоинствам электромагнитного расходомера относится широкий диапазон измерения расхода от 1 до 2500 .

При эксплуатации электромагнитных расходомеров следует учитывать следующие обстоятельства:

1) очень важно использовать только те типы и модификации расходомеров, которые предназначены для конкретных условий, в первую очередь это связано с внутренним покрытием расходомера, в противном случае происходит снос внутреннего покрытия расходомера;

2) необходимо правильно установить датчик расходомера на трубопроводе, т.к. часто происходит засорение электродов и вибрация стрелки расходомера. Для исключения засорения датчики следует устанавливать на прямолинейном участке трубопровода;

3) при измерении расхода часто происходит засмоление датчика, что уменьшает его чувствительность.

Погрешность измерения расхода электромагнитным расходомером составляет ±1%.

3.6 УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Начало разработки ультразвуковых методов измерения расхода жидкости было положено в 1919 году, но лишь через тридцать лет появилась возможность реализовать эти методы. Первые ультразвуковые расходомеры имели высокую стоимость и не обеспечивали необходимой точности измерений. Это было обусловлено, прежде всего, недостаточным уровнем развития электроники.

В последние два десятилетия положение существенно изменилось. До настоящего времени происходит совершенствование приборов, реализующих ультразвуковые методы измерения расхода жидкости. Технические характеристики расходомеров улучшаются, а их стоимость снижается.

Ультразвуковые методы находят применение в самых разных отраслях промышленности и коммунального хозяйства. Они используются для контроля расхода воды, нефти, нефтепродуктов, растворов и для измерения расхода криогенных жидкостей с температурой от -200°С до +500°С

Ультразвуковые методы позволяют создавать расходомеры и счетчики, обладающие рядом преимуществ перед другими методами измерения расхода, такие как:

1) высокая точность измерения;

2) простота эксплуатации;

3) высокая чувствительность;

4) незначительное энергопотребление;

5) широкий рабочий диапазон;

6) допустимость содержания в воде взвешенных частиц, в том числе обладающих магнитными свойствами;

7) отсутствие в приборах движущихся механических частей, подверженных износу.

3.7 БЕСКОНТАКТНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД

За последнее время ультразвуковые расходомеры (УЗР) и счетчики воды находят все более широкое распространение, как за рубежом, так и в России. Основные достоинства УЗР - это приемлемое сочетание высоких метрологических характеристик, надежности работы и цены.

Другим не менее важным преимуществом ультразвуковых методов измерения является возможность создания приборов с малым потреблением энергии и использования в них автономных источников питания. Батарейное питание существенно расширяет область применения указанных приборов, и позволяет им успешно конкурировать с механическими водосчетчиками, которые до последнего времени остаются основным средством измерения в водоснабжении.

Проведем анализ характеристик УЗР с точки зрения пользователя, осуществляющего выбор средства измерения для коммерческого учета расхода воды. Не претендуя на полноту предлагаемого алгоритма, постараемся обратить внимание на моменты, которым ни все пользователи уделяют должное внимание, и в рекламных предложениях они либо не освещаются вовсе, либо скрываются за общими положениями и терминами.

Принцип работы одного из ультразвуковых расходомеров, приведенного на рис. 3.10, основан на зависимости скорости ультразвука от скорости среды, в которой он распространяется. Результирующая скорость ультразвука равна геометрической сумме скоростей среды и ультразвука, рис. 3.11.

Для объяснения этого явления достаточно пояснить, что если ультразвук распространяется в направлении перемещения жидкости, то скорости жидкости и ультразвука складываются алгебраически.

Если же ультразвук распространяется против направления движения жидкости, то результирующая скорость распространения ультразвука будет

равна алгебраической разности скорости ультразвука и скорости перемещения жидкости.

Ультразвуковой генератор посылает сигнал на оба пьезоизлучателя одновременно. Расстояние, которое проходит ультразвук до приемника в обоих направлениях одинаково. Если движение жидкости отсутствует, то оба сигнала дойдут до приемника одновременно. Если имеет место движение жидкости, то скорость ультразвука (рис. 3.11) больше скорости ультразвука .

Р азность скоростей объясняется векторными диаграммами. Результирующие скорости ультразвука в подвижной среде показаны красным цветом.

С приходом ультразвукового сигнала к пьезоэлементу возникают колебания пьезокристалл-приемника, который создает импульс пьезоЭДС. Второй сигнал ультразвука приходит к приемнику с запаздыванием. Первый сигнал включает счетчик импульсов, а второй его выключает. Чем больше скорость жидкости, тем больше интервал времени между приходом сигналов и , тем большее число импульсов успеет отсчитать счетчик прибора контроля, тем выше показания цифрового индикатора.

Бесконтактный акустический метод применяется для сильно загрязненных потоков. Расход жидкости определяется исходя из величины показаний цифрового расходомера. Выходные сигналы всех расходомеров приводятся к единому стандарту 4-20 мА.

У льтразвуковой метод измерения получил широкое применение на Сыктывкарском лесопромышленном комплексе. К достоинствам этого метода можно отнести высокую разрешающую способность расходомера, малую инерционность (1-2 с) и широкий диапазон измерения расхода. Кроме того, если по метрологическим характеристикам все методы измерения расхода существенно не отличаются друг от друга, то эксплуатационные характеристики акустического метода значительно выше. Этот метод не требует внедрения в поток самого прибора, что повышает надежность функционирования УЗ-датчиков (отсутствует возможность их коррозии), а также упрощает установку и замену прибора. В России наиболее известными приборами, реализующими акустический метод измерения, являются расходомеры ЭХО-Р-02 фирмы "СИГНУР" (Россия) и расходомеры серии 4210 зарубежных фирм. Внешний вид одного из ультразвуковых расходомеров приведен на рис. 3.12.

Несмотря на простоту установки УЗ-преобразователя акустического расходомера, для получения

достоверных результатов необходимо соблюдать следующие условия:

1) измерительное сечение, т. е. сечение, в котором располагается акустический преобразователь, необходимо выбирать в середине потока или трубопровода;

2) поток жидкости должен быть установившимся, для чего длина прямолинейного участка трубопровода должна быть без боковых отводов;

3) постоянный уклон перед измерительным сечением, должен быть не менее 20, а после него не менее 10 максимальных уровней заполнения трубопровода;

4) в измерительном сечении и вблизи него не должно быть местных выступов, закладных деталей и других предметов, вызывающих искажения уровня за счет местных возмущений потока;

5) на погрешность измерения расхода оказывает существенное влияние погрешность калибровки трубопровода или лотка. Допускается осуществлять калибровку трубопроводов и лотков расчетным методом с использованием известной формулы Шези.

Основными данными для расчета по формуле Шези являются: строительный уклон трубопровода и коэффициент шероховатости стенок. Однако уклон, указанный в строительной документации, часто не совпадает с реальным уклоном, а коэффициент шероховатости стенок изменяется в процессе эксплуатации трубопровода. Поэтому калибровка трубопроводов и лотков расчетным методом дает менее точные результаты, чем экспериментальный метод НИИКВОВ.

В процессе выбора и практического использования расходомеров для безнапорных трубопроводов и каналов необходимо учитывать метрологические и эксплуатационные качества приборов, однако, при прочих равных параметрах, по эксплуатационным характеристикам акустический метод измерения расхода жидкости имеет существенное преимущество. На рис. 3.13 приводится классификация ультразвуковых расходомеров.