§ 8. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на измерении электродвижущей силы, индуцированной в потоке элек­тропроводной жидкости под действием электромагнитного поля в функции скорости движения этой жидкости. Схема индукционного расходомера показана на рис. 7.9.

Между полюсами магнита N—S перпендикулярно к направлению силовых линий магнитного поля проходит трубопровод 1, по кото­рому течет жидкость. Если жидкость электропроводна, то в точках, расположенных по вертикали на противоположных концах диаметра трубопровода, создается разность потенциалов, образующая элек­тродвижущую силу (эдс):

где В—магнитная индукция; l—расстояние между электродами; w —скорость потока жидкости.

Разность потенциалов, снимаемая двумя электродами 2, измеря­ется прибором 3. Отрезок трубы, расположенный в магнитном поле, изготовлен из немагнитного материала.

Выражая скорость потока w через расход w=4Q/πD², получим

Из формулы (7.17) видно, что эдс прямо пропорциональна рас­ходу, следовательно, в этом случае шкала прибора линейна. Расхо­домеры с постоянным магнитным полем имеют ряд недостатков, являющихся следствием поляризации электродов. Так как в элек­тромагнитных расходомерах используют электромагниты, питаемые переменным током, магнитная индукция будет выражена уравнением

где Вmах—максимальная магнитная индукция; f—частота перемен­ного тока; t—время.

Подставляя уравнение (7.18) в (7.17), получим

Под влиянием переменного магнитного поля в потоке жидкости формируются кроме измеряемой электродвижущей силы также и дру­гие (паразитные) эдс, искажающие результат. Паразитная эдс наво­дится в контуре, образованном выводами электродов. Значение ее пропорционально скорости изменения магнитной индукции и не зависит от скорости потока. Паразитные сигналы-помехи сдвинуты по фазе на 90° относительно измерительного сигнала. Пара­зитные эдс при отсутствии предохранитель­ных мер могут быть значительными, в ре­зультате чего результаты измерений искажа­ются. Для снижения паразитных эдс приме­няют следующие меры.

1

. Включают два однотипных датчика так, чтобы рабочие эдс складывались, а паразитные—вычитались.

2. В цепь усилителя включают фазочувствительный детектор, -подавляющий эдс, сдвинутую на 90° относительно рабочей.

3. Применяют компенсаторы с автоматическим уравновешивани­ем двух составляющих напряжения, различающихся по фазе.

4. Включают в цепь электродов катушку, расположенную в ра­бочем магнитном поле и поворачивающуюся до момента компенса­ции наводимой в ней паразитной эдс.

5. Применяют подвижной вывод от одного из электродов, про­ходящего через рабочее магнитное поле. Перемещением вывода мож­но добиться, чтобы площадь контура, пронизываемого полем, была равна нулю.

Показания индукционного расходомера не зависят от параметров измеряемой жидкости (температуры, плотности, вязкости, давления, теплопроводности и др.), если последние не влияют на электропро­водность. Из формул для эдс, индуцируемой в расходомере, видно, что показания расходомера теоретически не должны зависеть и от электропроводности. Но практически, поскольку измерительные при­боры определяют эдс по силе тока, текущего через прибор, при соизмеримых значениях сопротивлений измерительного прибора и датчика, изменение электропроводности жидкости влияет на сигнал.

К достоинствам индукционных расходомеров следует отнести то, что они не имеют каких-либо подвижных или неподвижных высту­пающих частей, препятствующих измеряемому потоку, обладают ли­нейной шкалой, высокой чувствительностью, хорошей воспроизводи­мостью показаний и стабильной работой.

Этими расходомерами можно определять расходы сред с высо­ким агрессивным воздействием, радиоактивных сред и расход различ­ного рода пульп.

К числу достоинств индукционных расходомеров следует также отнести то, что применение их не обусловлено требованием прямого участка трубопровода. Поэтому он может быть установлен в любом положении (горизонтальном, наклонном, вертикальном).

К недостатку индукционного расходомера следует отнести то, что измеряемая им жидкость должна обладать некоторой минималь­ной проводимостью. Многие углеводороды (в том числе нефть и продукты нефтепереработки) этим свойством не обладают.

Электромагнитный принцип измерения расхода использован в расходомерах бурового раствора РГР-7, который состоит из элек­тромагнитного датчика расхода, измерительного блока, преобразую­щего сигнал датчика в угол поворота сельсина, и показывающего устройства.

Схема измерительного устройства приведена на рис. 7.10. Систе­ма магнитного возбуждения (KB) создает переменное магнитное по­ле, пронизывающее немагнитную трубу датчика, в которой проте­кает буровой раствор. Электродвижущая сила, пропорциональная скорости потока жидкости, снимается с изолированного электро­да Э, введенного через стенку трубы перпендикулярно к магнитному потоку. Возникающая паразитная эдс устраняется закреплением вы­водов от корпуса и электрода в плоскости, перпендикулярной к трубе.

Сигнал измерительного электрода поступает по экранированному кабелю через разделительную емкость С1 на сетку первого каскада лампы Л1. На катод этой лампы в фазе с полезным сигналом одно­временно подводится компенсирующее напряжение с потенциометра Rп через емкость С2 фазовращательной ячейки R3—C2.

Результирующее напряжение «сетка—катод» равно разности сигнала и компенсирующего напряжения. Усиленный сигнал с анод­ной нагрузки R5 через емкость СЗ подается на сетку второго каска­да Л1. Емкость С5, внутреннее сопротивление лампы R, и сопротив­ление R7 образуют фазосдвигающую цепочку, с выхода которой сиг­нал через емкость С6 поступает на сетку третьего каскада Л^„ выполненного аналогично второму. Во втором и третьем каскадах осу­ществляется необходимый для нормальной работы фазочувствительного усилителя сдвиг фазы сигнала. Нити накаливания ламп всех каскадов усилителя напряжения питаются постоянным током, по­скольку незначительная величина измеряемого сигнала, имеющего частоту 50 Гц, может оказаться соизмеримой с флуктуациями пото­ка электронов в лампах с катодом, подогреваемым переменным то­ком той же частоты.

После усиления четвертым каскадом через емкость С10 сигнал поступает на вход фазочувствительного усилителя мощности ЛЗ, на­груженного управляющей обмоткой реверсивного двигателя РД-09, связанного с движком реохорда Rn. На анод усилителя мощности с выпрямительного моста ВПЗ — ВП6 подается пульсирующее напря­жение, необходимое для работы двигателя, а на аноды всех каскадов усилителя напряжения—напряжение, сглаженное диодом ВП7 и емкостью СИ.

Описанная схема работает как автокомпенсатор, т. е. при нали­чии на входе усилителя разностного сигнала двигатель поворачивает движок потенциометра в сторону уменьшения разбаланса и сводит его к нулю (~60 мкВ).

В этот момент двигатель останавливается и фиксирует опреде­ленное положение движка потенциометра и связанного с ним ротора сельсина БД-404А, причем зависимость между расходом жидкости и углом поворота движка линейная. За счет использования двига­теля с редукцией i=1/268 автокомпенсатор работает устойчиво, без перерегулирования и не реагирует на пульсацию расхода, создавае­мую поршневыми насосами.

Во время эксплуатации расходомера на буровой неизбежны ко­лебания напряжения и частоты тока. При этом возможно добавление в раствор ферромагнитных присадок (гематита), что будет вызывать изменение значения полезного сигнала, снимаемого с датчика.

Для компенсации вызванных этими факторами погрешностей из­мерения необходимо одновременно с полезным сигналом соответст­венно уменьшать или увеличивать и компенсирующее его напряже­ние, снимаемое с потенциометра Rп. Такая компенсация достигается специальной системой возбуждения датчика и потенциометра, со­стоящей из закрепленных на датчике двух пар катушек Kl, К.2 и КЗ, К.4, включенных между собой и согласно питающих потенцио­метр Rп.

Первая пара катушек К.1, K.2 расположена на магнитопроводе, где пронизывающий ее поток зависит только от силы тока возбуж­дения. Вторая пара катушек К.З и К.4 расположена на корпусе дат­чика на участке, где происходит наибольшее изменение магнитного потока при изменении магнитных свойств раствора.

Такая система обеспечивает независимость показаний расходоме­ра от колебаний напряжения питания и изменения магнитных свойств измеряемого вещества.