Электромагнитные и ультразвуковые расходомеры

Существует ряд приборов для измерения объемного расхода жидкостей, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного контакта с измеряемым веществом, что позволяет использовать их там, где работа других расходомеров невозможна (например, при измерении расхода агрессивных сред — кислот, щелочей, растворов и взвесей). К таким приборам относят электромагнитные и ультразвуковые расходомеры.

Принцип работы приборов с электромагнитным преобразователем расхода основан на взаимодействии движущейся электропроводящей жидкости с магнитным полем. В движущемся проводнике (электропроводящей жидкости), перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, наводится электродвижущая сила (э. д. с.), пропорциональная скорости движения проводника (закон Фарадея):

,

где Е – индуцируемая (наводимая) в проводнике э. д. с., в В; l – длина проводника в м; B – магнитная индукция, в теслах – Т и v – скорость движения проводника, в м/с.

В случае измерения расхода электропроводящей жидкости запишем:

,

где D – внутренний диаметр трубы или расстояние между электродами, в м; - средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубопровода в зоне наведения э. д. с., в м/с.

Объемный расход жидкости F_об. Определяется по формуле : ,

где S – площадь поперечного сечения трубопровода, в м², если подставить в значение , то или , где .

Полученное выражение показывает, что значение объемного расхода токопроводящей жидкости прямо пропорционально значению наводимой электродвижущей силе. Конструкция датчика показана на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема электромагнитного расходомера

Датчик расходомера представляет собой отрезок трубы 1 из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали с диаметрально расположенными с наружи электромагнита 4. По оси перпендикулярно полюсам магнита и заподлицо с внутренней поверхностью трубы в изоляционный вставках 3 находятся токосъемника 2. Проведенный датчик расхода питается от сети 220В, что позволяет избежать поляризации электродов. К другим достоинствам данного решения относятся равномерность шкалы прибора и отсутствие потерь энергии потока. С помощью таких приборов можно измерять расходы агрессивных и загрязненных сред.

Электромагнитные расходомеры изготовляются классов точности 1 и 1,5 с постоянным и переменным магнитным полем. Первые расходомеры из-за эффекта поляризации у электродов применяют для определения расхода жидкометаллического теплоносителя, вторые — для определения расхода электропроводных растворов. Принцип их действия основан на возникновении э.д.с в проводнике, пропорциональной скорости его движения в магнитном поле. Роль проводника в расходомере иг­рает электропроводная жидкость, а магнитное поле создается внешними устройствами. Измеряя наведенную э.д.с, можно определить среднюю скорость жидкости, а следовательно, и ее расход.

Недостатками электромагнитных расходомеров являются:

• чувствительность к помехам от переменных электро­магнитных полей;

• ограничения по электрической прово­димости измеряемой среды.

Ультразвуковые расходомеры служат в основном для измерения расхода жидкостей. Принцип их действия основан на использовании ультразвука, скорость которого относительно трубопровода зависит от скорости измеряемого потока. Эти расходомеры состоят из излучателя и приемника ультразвуковых колебаний. Приемник в виде пьезоэлемента преобразует механическую деформацию, вызванную ультразвуком, в электрический сигнал. Скорость потока определяют измерением интервала времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него.

Ультразвуковые расходомеры по методу измерения интервала разделяют на частотные, фазовые и времяимпульсные.

П ринцип работы ультразвуковых расходомеров основан на измерении времени прохождения ультразвукового сигнала от излучателя 2 (от 1 до 3 МГц) к приемнику 1 по направлению течения вещества, так и против него (см. рис. 5).

Разность во времени прохождения ультразвукового сигнала будет прямо пропорциональна скорости потока вещества, а знак этой разности покажет направление движения.

Если внутри датчика жидкость находится в неподвижном состоянии, то

,

где L – расстояние между излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний, v – скорость ультразвука

В этом случае длительность прохождения ультразвукового сигнала и в прямом и в обратном направлении равны между собой.

Как только появится движение жидкости, то время прохождения потока по ходу жидкости станет , а в обратном направлении , так как , то

Основными элементами ультразвукового расходомера являются пьезоэлементы, преобразующие переменное электрическое напряжение в ультразвуковые колебания. На рис. 5 приведена двухканальная схема ультразвукового преобразователя, у которого излучатель находится по средине между двумя приемниками.

Требования, предъявляемые к эксплуатации ультразвуковых расходомеров, так как данные расходомеры измеряют среднюю по диаметру, а не среднюю по сечению скорость потока, то для установки расходомера до него необходим прямой участок трубопровода.

Недостатки ультразвуковых расходомеров:

• влияние на показания прибора пузырьков и механических примесей в жидкости;

• чувствительность к помехам, вызванным прохождением акустических колебаний по стенке трубопровода;

• необходимость индивидуальной градуировки;

• влияние на показания изменений физико-химических свойств вещества и его температуры;

• изменение скорости ультразвука.

Достоинства ультразвуковых расходомеров:

• отсутствие контакта со средой;

• высокая точность измерений и быстродействие;

• отсутствие гидравлического сопротивления потоку жидкости;

• возможность установки прибора на трубопроводах диаметром от 10 мм и более, а также измерение расхода любых жидких сред.

Основная погрешность этих расходомеров при отсутствии коррекции на изменение скорости звука составляет 3—4 %.