Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический институт

Кафедра Механики многофазных систем

Домашнее задание №1 по дисциплине «Экспериментальные методы исследований»

Тема: «Электромагнитные расходомеры»

Тюмень 2019

Электромагнитные расходомеры Физические основы метода измерения

Электромагнитный расходомер – это прибор для измерения расхода различных жидкостей. Он способен работать с агрессивными и неоднородными средами. Главное, чтобы измеряемая жидкость проводила ток, поэтому такого типа датчики не могут вести учет углеводородов, дистиллированной воды и многих неводных растворов.

Рисунок 1. Принципиальная схема электромагнитного расходомера:

1 - трубопровод; 2 - полюса магнита; 3 - электроды для съема ЭДС;

Наиболее часто применяют такие электромагнитные расходомеры, у которых измеряется электродвижущая сила (ЭДС), индуктируемая в жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого между полюсами магнита или электромагнита устанавливают участок трубопровода, который изготовлен из немагнитного материала и внутри покрыт неэлектропроводной изоляцией, вводятся два электрода в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Это известный закон электромагнитной индукции — закон Фарадея. Разность потенциалов на электродах определяется следующим образом:

где В – магнитная индукция; l – расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; v – средняя скорость; Q0 – объёмный расход жидкости.

Из формулы видно, что измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объёмному расходу жидкости Q₀.

Принцип работы электромагнитного расходомера

Электромагнитный расходомер состоит из трубы с комплектом соленоидов, закрепленных на внешней поверхности трубы. Соленоиды используются для создания магнитного поля, необходимого для получения напряжения. В трубе также находятся два металлических столбика или электрода. Электродами заканчивается электрическая цепь между проводящей электрический ток средой и устройством, с помощью которого снимаются показания интенсивности возбужденного напряжения. Во избежание потери напряжения, труба электромагнитного расходомера покрыта диэлектрическим (непроводящим электрический ток) материалом.

По мере того, как среда, способная проводить электрический ток, движется через электромагнитный расходомер, она проходит сквозь магнитное поле, и в среде возбуждается напряжение. Проводящая электрический ток среда является тем проводником, который необходим для получения напряжения.

Движение среды-проводника через магнитное поле является тем относительным движением, которое необходимо для возбуждения напряжения. Это напряжение индуцируется в среде-проводнике и подается на электроды. По проводам, подсоединенным к электродам напряжение подается на устройство, которое измеряет интенсивность напряжения. Чем больше скорость или относительное движение среды-проводника, проходящей через электромагнитный расходомер, тем выше напряжение. Поэтому измерение величины этого напряжения является одним из способов измерения скорости движения среды. А затем величина, полученная в результате измерения скорости потока может быть преобразована в параметр расхода потока.

Конструкция расходомера

На рисунке 2 представлен внешний вид расходомера, где приняты следующие обозначения: 1 - обмотка возбуждения, 2 - электроды, при помощи которых снимается э.д.с. с движущейся жидкости, 3 - внутренняя немагнитная труба, футерованная 18 диэлектрическим материалом, в которой и происходит измерение расхода, 4 - внешний магнитопровод, 5 - магнитные силовые линии. Электромагнитный расходомер состоит из трубы, выполненной из немагнитной (как правило нержавеющей) стали, покрытой изнутри изолирующим материалом. Катушки возбуждения, расположенные снаружи трубы, создают магнитное поле. Жидкость, протекающая по трубе, играет роль проводника. Э.д.с., наводимая в жидкости, пропорциональна скорости потока. Два небольших электрода, расположенных друг против друга заподлицо с поверхностью изолирующего слоя, воспринимают э.д.с. Наводимая э.д.с. не может быть использована непосредственно, т.к. она мала и источник э.д.с. обладает высоким внутренним сопротивлением. Воспринимаемый электродами сигнал направляется в устройство, которое осуществляет усиление, фильтрацию и нормирование выходного сигнала. Датчик в виде простого отрезка трубы с внутренней футеровкой и двумя электродами не создает препятствия потоку, и

потеря давления в данном случае не превышает потерю давления в прямой трубе такой же длины.

Рисунок 2 – Электромагнитный расходомер

Данные расходомеры позволяют успешно измерять расходы суспензий, пульп и жидкостей, содержащих твердые частицы. Для покрытия внутренней поверхности трубы используют разницу, устойчивую к абразивным воздействиям: эмаль, полеуретан, фторопласт м др. материалы. В качестве материалов для изготовления электродов обычно используют нержавеющую сталь, однако, малые размеры электродов позволяют использовать и более редкие металлы, как, например, платина, тантал, иридий при сравнительно небольшом увеличении стоимости прибора. Это означает, что электромагнитные расходомеры могут быть изготовлены из материалов, химически устойчивых по отношению к практически любым жидкостям. Поэтому данный тип расходомера используется для работы со многими сильно коррозирующими и агрессивными жидкостями и даже с жидкими металлами.

Преимущества и недостатки электромагнитного расходомера

Электромагнитные расходомеры могут иметь два принципиально разных исполнения. Они могут быть изготовлены как с использованием постоянных магнитов, так и с использованием электромагнитов, работающих от переменного тока. Также, среди электромагнитных расходомеров выделяют расходомеры с постоянным и переменным полем. Постоянное магнитное поле используется в расходомерах, для измерения, например, расхода расплавленного металла. Переменное магнитное поле используется в расходомерах для вычисления объемного расхода жидкостей, обладающих ионной проводимостью. Электромагнитные расходомеры обладают как преимуществами, так и недостатками, которые и определяют сферу их применения.

Для начала, рассмотрим преимущества электромагнитных расходомеров, которых у них намного больше, нежели недостатков:

- Высокая точность показаний расхода, которая не зависит от температуры, вязкости и плотности, а также других физических параметров измеряемого вещества,

- Огромный диапазон (от минимальных до очень больших) диаметров труб, с которыми возможна работа электромагнитного расходомера,

- Отсутствие потери давления потоком в расходомере,

- Требуется минимальный участок прямых труб до и после расходомера,

- Быстродействие, благодаря которому достигается почти мгновенная динамика измерений показаний расхода,

- Линейность шкалы, что означает одинаковую точность показаний при любом уровне расхода.

- Возможность для использования даже с агрессивными, вязкими жидкостями, содержащими абразивы.

Особым преимуществом электромагнитного расходомера является то, что показания такого расходомера в ассиметричном потоке и одинаковом расходе будут одинаковыми и при ламинарном и при турбулентном движении.

Недостаток электромагнитного расходомера - это невозможность использования для измерения расхода жидкостей, не проводящих электрический ток (различные диэлектрики, например, дистиллированная вода), газов и водяного пара. Таким образом, применение электромагнитных расходомеров возможно, в случае, если удельная электрическая проводимость жидкости больше 10^-3 см/м. Под это условие попадают, например, любая вода, кроме дистиллированной, различные соки, сиропы, растворы, сточные воды и даже кислоты и щелочи.

Существуют электромагнитные расходомеры с постоянным и переменным магнитным полем. Преимущества постоянного магнитного поля состоят в следующем:

- в простоте магнитной системы;

- в возможности измерения расхода, частота потока которого непостоянна;

- в отсутствии помех;

- в возможности измерения расхода сред даже с низкой электрической проводимостью.

Главный недостаток расходомеров с постоянным магнитным полем является поляризация электродов, в связи с чем, для измерения расхода обычных сред с ионной проводимостью, практически всегда используется переменное магнитное поле.

Расходомеры с постоянным магнитным полем применяются для измерения расхода, например, расплавленных металлов, имеющих не ионную, а электронную проводимость. Такие расходомеры применяются в лабораторных условиях для проведения кратковременных измерений быстропеременных расходов.

Расходомеры с переменным магнитным полем обладают целым набором недостатков, которые, однако, не так сильно воздействуют на результаты измерений, как поляризация электродов, возникающая в расходомерах с постоянным магнитным полем.

Главный их недостаток - это ограничения и помехи, коих может возникать огромное количество, которые связаны с тем, что:

- В преобразователе расхода, наряду с токами проводимости протекают токи смещения;

- Длину проводов, которые связывают преобразователь расхода с измерительным прибором, ограничивает емкостное сопротивление между проводами. При этом, чем меньше удельная проводимость среды, тем больше ограничение.

- Наряду с полезным сигналом от электродов, возникает паразитная, трансформаторная ЭДС;

- Переменное магнитное поле способно вызвать вихревые токи Фуко. Эти токи возникают как в магнитопроводе, так и в стенках трубопровода, и даже в измеряемой жидкости;

- Возникновение блуждающих токов и воздействие внешних электромагнитных полей;

Выход из этой ситуации представляется в снижении стандартной частоты магнитного поля, а также в переходе на импульсное питание электромагнитов от источника постоянного тока.

Современные электромагнитные расходомеры можно охарактеризовать, как приборы с импульсным питанием, низкой частотой электромагнитов, использующие микропроцессоры для преобразования сигналов датчиков - это позволило снизить энергопотребление и повысить точность измерения расхода.

Пожалуй, напишем ещё пару слов о строении электромагнитных расходомеров. Первичные преобразователи ЭМ расходомеров не имеют выступающих внутрь трубопровода частей, сужений или изменений профиля. Именно поэтому, гидравлические потери у приборов минимальны.

Преобразователь расходомера и технологический трубовпровод не имеют выступающих и закрытых частей, именно поэтому, его можно чистить и стерилизовать без демонтажа, что очень полезно в пищевой и биохимической промышленности, где стерильность среды очень важна.

Не оказывают влияния на показания электромагнитных расходомеров физико-химические свойства жидкости, такие как температура, плотность, вязкость. Благодаря конструктивным особенностям электромагнитных расходомеров, появилась возможность использования новейших изоляционных и антикоррозийных материалов покрытий, что позволило применять такие расходомеры для измерения расхода агрессивных и абразивных сред.

Однако, электромагнитные расходомеры чувствительны к неоднородности среды (пузырьки), турбулентности потока, к электропроводности среды. Т.е. они не подходят для измерения расхода легких нефтепродуктов, спирта, газированных жидкостей. Расходомеры с постоянными магнитами в процессе эксплуатации могут забиваться металлическим мусором. Для решения последней проблемы, рекомендуется периодически отключать расходомеры от питания, чтобы поток унес мусор.

Краткий вывод

Несмотря на свои недостатки, электромагнитные расходомеры получили широкое распространение, благодаря своим реальным эксклюзивным преимуществам.

В настоящее время, электромагнитные расходомеры применяют как для измерения очень малых, так и очень больших расходов (от 3×10^-9 м³/с  до 3 м³/с) (от измерения расхода крови по кровеносным сосудам, до измерения расхода на промышленных трубопроводах).