Електромагнітні лічильники і витратоміри

Рис.1 Зовнішній вигляд електромагнітних витратомірів

Електромагнітні витратоміри (ЕМР) в даний час є широко поширеними приладами, використовуваними для комерційного і технологічного обліку. ЕМР мають цілу низку переваг обумовлюють їх популярність. Це - відсутність механічних рухомих елементів в конструкції, незначний опір потоку і, отже, дуже малі втрати тиску на вимірювальній ділянці, можливість застосування для в'язких рідин, висока точність вимірювання, широкий діапазон (до 1: 1000), відносно недорога ціна. Все це визначило широке використання ЕМР в таких галузях як комунальне господарство, теплоенергетика, хімічна, целюлозно-паперова, харчова промисловість. За допомогою ЕМР з успіхом вимірюють витрата води, сольових розчинів, кислот, лугів, пульп, молока, пива, різного роду харчових продуктів.

Електромагнітні перетворювачі витрати знайшли широке застосування при обліку теплової енергії для вимірювання об'єму теплофикационной води. ЕМР сертифіковані для застосування в складі більшості вітчизняних теплолічильників. На базі електромагнітних перетворювачів працюють такі популярні теплолічильники як ТС-01, ТСК, SA94, КМ-5.

В силу принципу своєї роботи ЕМР не можуть використовуватися для середовищ, електропровідність яких нижче 5 ... 10 мкСм / см. У ряді окремих випадків і при використанні спеціальних версій ЕМР нижню межу провідності може бути розширений до 0,05 мкСм / см. Таким чином, промислові серійні ЕМР не можуть бути використані для вимірювання витрати таких середовищ як бензин, дизпаливо, нафта, органічні розчинники.

Принцип дії електромагнітних витратомірів полягає в наведенні ЕРС електромагнітної індукції в потоці провідної рідини при русі через магнітне поле відповідно до закону Фарадея. Джерелом магнітного поля служить магнітна система витратоміра, що складається з електромагнітів - індукторів і муздрамтеатру. Знімання ЕРС проводиться за допомогою, як правило, пари електродів, виведених діаметрально протилежно в проточній частині вимірювальної ділянки. Внутрішня поверхня вимірювальної ділянки покривається ізоляційним матеріалом, таким як фторопласт, гума, кераміка, емаль.

Різниця потенціалів на електродах витратоміра визначається формулами:

U = ЕD = BVD = 4ВQ / πD (1)

Де Е-напруженість електричного поля в рідині, В - магнітна індукція створювана магнітною системою, V - середня швидкість потоку, D - відстань між електродами, рівне внутрішньому діаметру трубопроводу, Q - об'ємна витрата.

Формула (1) демонструє прямо пропорційну лінійну залежність між сигналом напруги на електродах і об'ємною витратою.

Внесок різних точок поперечного перерізу потоку в різницю потенціалів фікcіруемую на електродах різний, він описується ваговій функцією W (рис.2). Напруга на електродах може бути виражено через вагову функцію: U = ò (WxB) х V dx dy dz (2)

x, y, z

Рис.2 Ізолінії ваговій функції в площині перетину проходить через електроди (2)

Магнітна система ЕМР складається з електромагнітів - індукторів і муздрамтеатру. Розташування індукторів і геометричні параметри магнітної системи можуть бути різними і залежать від типу створюваного поля і діаметра (Ду) ЕМР. Існують два основні підходи до створення магнітної системи. Один націлений на створення максимально однорідного магнітного поля, інший на створення поля компенсуючого неоднорідність ваговій функції (рис.1)

В даний час проводяться переважно витратоміри з індукторами, що створюють магнітне поле назад пропорційне ваговій функції і задовольняє умові В * W = const. Такий тип магнітної системи робить прилад менш чутливим до спотворень профілю потоку, дозволяє зменшити довжину вимірювальної ділянки витратоміра, відповідно зменшити матеріаломісткість приладу, а також знизити вимоги до прямих ділянках до і після витратоміра.

рис.3

Існує ряд варіантів харчування індукторів магнітної системи.

Харчування постійним струмом в даний час не застосовується внаслідок сильної поляризації електродів, що виникає при такому способі.

Харчування змінним струмом (АС технологія) практично виключає поляризацію, але створює ряд інших проблем, зокрема проблему усунення впливу потужної трансформаторної ЕРС на сигнальні ланцюга. В АС технології для збудження індукторів використовується змінний струм з частотами, як правило, 50-70 Гц. Разом з тим, більш потужне магнітне поле за умови усунення труднощів АС технології породжує сильніший виразний сигнал, а більш високі частоти дозволяють виключити вплив низькочастотних перешкод і фіксувати швидкі пульсації витрати. ЕМР працюють на АС технології в даний час мають обмежене застосування, як правило, при вимірі сильно забруднених рідин, рідин з великим вмістом механічних частинок, пульп, а також при вимірюванні швидкозмінних пульсуючих і повільних потоків. Неминучим недоліком витратомірів з АС порушенням магнітної системи є велика маса, велика споживана потужність, необхідність періодичного коректування нуля.

Порушення індукторів переменнополярнимі імпульсами постійного струму (DC pulsed) частотою 3-8 Гц - варіант харчування магнітної системи реалізований в переважній більшості сучасних ЕМР. Цей спосіб виявився досить вдалим. Вимірювання різниці потенціалів на електродах відбувається в певні інтервали (рис.3) часу, коли магнітне поле постійно і магнітний потік через контур сигнальної ланцюга не змінюється. Таким чином, усувається вплив трансформаторної ЕРС на сигнал. Вимірювання різниці потенціалів на електродах проводиться також і в періоди, коли струм в індуктори відсутня і індукція магнітного поля дорівнює нулю. Це дозволяє здійснювати автоматичну корекцію нуля.

Виробники ЕМР працюють над удосконаленням АС і DC pulsed технологій. АС технологію в області складних промислових застосувань розвиває концерн АВВ. Для DC pulsed запропонований і використовується ряд удосконалень. Так, в ЕМР фірми Yokogawa основний меандр DC pulsed модулюється більш високою частотою. Є ЕМР з двочастотних перемикається збудженням (Rosemount).

Так як значення різниці потенціалів виникає в рідині під дією магнітного поля дуже малі - на рівні мікро і милі Вольт, то основною технічною проблемою розв'язуваної при розробці і конструюванні ЕМР є обробка і виділення корисного сигналу ЕРС знімається на електродах. Обробка сигналу відбувається в обчислювальному блоці ЕМР, який включає в себе підсилювач і ряд компенсаційних схем, а також пристрої формування стандартних вихідних сигналів. У тих випадках, коли обчислювальний блок неможливо розмістити в одному блоці з первинним перетворювачем витрати (ППР) з причини високої температури робочого середовища або негативних впливів навколишнього середовища, він з'єднується з ППР спеціальним кабелем особливим чином екранованим, і мають обмеження по довжині сполучної лінії.

Електроди ЕМР в більшості стандартних застосувань виготовляються з нержавіючої сталі. Для хімічно агресивних середовищ - з хастелоя, танталу, титану, платини. Контактні електроди в ряді випадків потребують періодичного чищення. Для цього застосовують різні пристрої і пристосування. Деякі електромагнітні витратоміри, особливо великих діаметрів, мають конструкцію передбачає витяг електродів для механічного чищення без демонтажу перетворювача за допомогою спеціального пристрою, в інших моделях для чищення передбачено підключення генератора ультразвукових коливань або джерела високої напруги для «випалювання» електродів. Щоб уникнути відкладення на електродах опадів вважається кращою установка ЕМР на вертикальному висхідному трубопроводі. Таке розташування особливо бажано при наявності зважених і розчинених випадають в осад частинок і при малих швидкостях потоку.

Особливий тип електродів - безконтактні - реалізується в електромагнітних витратомірах з ємнісним зніманням сигналу. Безконтактні (ємнісні) електроди являють собою пластини, що охоплюють зовні ізоляційне покриття проточної частини витратоміра. Розділені під дією магнітного поля заряди в рідини індукують появу заряду на конденсаторі, утвореному електродами. Електроди і сигнальні дроти, що підводять ретельно багатошарово екрануються, щоб запобігти дію різних сторонніх полів. Даний тип ЕМР дозволяє вимірювати витрату рідин з провідністю до 0,05 мкСм / см. Доцільно також його застосування для середовищ здатних до налипання і утворення опадів на стінках трубопроводу. Ємнісні пластинчасті електроди комбінуються з керамічної футеровкой проточної частини. Такі витратоміри, зокрема, випускаються фірмою Krohne.

Важливий елемент конструкції електромагнітних витратомірів - футеровка - ізоляційне покриття внутрішньої проточної частини витратоміра. Найбільш універсальний і поширений матеріал футеровки - фторопласти (PTFE, PFA). Фторопластова футерування стійка до агресивних кислих і лужних середовищ, витримує температуру до 180 градусів. Фторопластову футеровку часто армують сіткою з нержавіючої сталі, підвищуючи, таким чином, її міцність і механічну стійкість. Для абразивних середовищ з невисокою температурою - до 60 градусів застосовують футеровку з поліуретану. Керамічна футерування стійка до абразії і хімічно агресивних середовищ, міцна - витримує високий тиск - до 40 бар і високу температуру, але може бути вразлива до різких температурних перепадів. Витратоміри з керамічної футеровкой виготовляються на Ду від 25 до 100 мм.

Електромагнітні витратоміри в стандартній компонуванні - з вимірювальним ділянкою (фланцевим або «сендвіч») виготовляють як правило на Ду150..300 мм., Витратоміри зарубіжного виробництва в даному конструктиві мають ряд Ду - до 2000, 3000 мм. На трубопроводи діаметром понад 150 і до 4000, 5000 мм. можливе застосування датчиків витрати погружного типу, таких як ЕРИС або РМ-5-Б. У витратомірах погружного типу магнітна система розташовується не зовні труби, а всередині герметичного корпусу, кіт вводиться в потік, а на поверхню капсули виводяться електроди для знімання ЕРС. Деякі фірми, наприклад Burkert виробляє електромагнітні витратоміри погружного типу також і на маленькі (для установки в комплектно поставляються фітинги) і середні діаметри 15..400 мм. Електромагнітні витратоміри погружного типу володіють нижчими метрологічними характеристиками, допустима відносна похибка складає близько 1,5 ... 3%, що пов'язано з особливостями конструкції.

Слід зазначити, що великі іноземні виробники, такі як Siemens (Magflo), Yokogawa (ADMAG), ABB (FSM), Krohne (Optiflux, Capaflux) пропонують широкий диверсифікований ряд моделей і виконань витратомірів для різних умов застосування, використовуючи спектр різних матеріалів, конструктивів і способів обробки сигналу. Похибка вимірювання у витратомірів зарубіжного виробництва становить близько 0,5..0,15%. Вітчизняні виробники, як правило, випускають кілька типів розрахованих на масове застосування, мають похибку в основному діапазоні близько 1%. Прикладами вітчизняних електромагнітних витратомірів які отримали широке поширення є: ПРЕМ , ЕРСВ, РМ-5, РСЦ, Емір-Прамер, ІПРЕ.

література:

• Кремлівський П.П. Витратоміри і лічильники кількості речовини, ч.2, Політехніка, СПб, 2004
• Friedrich Hofmann «Fundamental principles of Electromagnetic Flow Measurement», KROHNE Messtechnik GmbH & Co. KG Duisburg, 2003