Электромагнитные расходомеры

Среди известных и широко применяемых методов измерения расхода жидкостей в химической промышленности большое внимание заслуживает электромагнитный метод измерения. Принцип работы прибора с электромагнитным преобразователем расхода основан на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем. Согласно закону Фарадея, в движущемся проводнике (например, жидкости) перпендикулярно силовым линиям магнитного поля наводится электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная скорости движения проводника. Значение выходной ЭДС прямо пропорционально значению объемного расхода жидкости.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитным полем приведена на рисунке 5.6. Трубопровод 1 с перемещающейся в нем жидкостью помещают в магнитное поле. Трубопровод изготовляют из изоляционного материала (фторопласт, эбонит и т. п. в зависимости от свойств измеряемой жидкости). При необходимости трубопровод изготавливают из немагнитного металла (например, из немагнитной нержавеющей стали с большим удельным сопротивлением). В этом случае внутреннюю поверхность металлической трубы изолируют от жидкости специальным изоляционным материалом. В стенки трубопровода диаметрально противоположно в одном поперечном сечении вводят электроды 2, 3(«заподлицо» с внутренним диаметром трубопровода), изготовленные из нержавеющей стали. Электроды для съема выходной ЭДС тоже должны быть электрически изолированы от металлической трубы. К электродам подключают высокочувствительный измерительный прибор 6 (например, потенциометр).

Основным недостатком первичных электромагнитных преобразователей расхода с постоянным магнитным полем является поляризация электродов, характеризуемая появлением двойного слоя зарядов на границе электрод—жидкость. По мере накопления этих зарядов возникает ЭДС, направленная против основной измеряемой выходной ЭДС. Появление двойного электрического слоя и противоэлектродвижущей силы нарушает стабильную работу измерительного блока. Чтобы уменьшить вредное воздействие поляризации электродов на полезный сигнал преобразователя расхода, постоянное магнитное поле заменяют на переменное.

Рисунок 5.6. Схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитным полем: / — трубопровод; 2, 3 — электроды; 4 — постоянный электромагнит; 5 — усилитель; 6 — измерительный прибор

Достоинства электромагнитных преобразователей расхода: они не имеют движущихся частей, имеют минимальные потери давления. Практически безынерционны (по динамическим свойствам они могут быть представлены статическим звеном нулевого порядка), что очень важно при измерении быстроизменяющихся расходов. Показания расходомера не зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкости, плотности) и от характера потока (ламинарный, турбулентный). Шкала измерительного прибора линейна.

Электромагнитные расходомеры обеспечивают измерение расхода в диапазоне от 1 м³/ч до 2500 м³/ч и более в трубопроводах с внутренним диаметром от 10 мм до 300 мм.  В зависимости от типа покрытия внутренней поверхности трубы преобразователя расхода электромагнитные расходомеры могут применяться для измерения расхода различных электропроводных жидкостей (абразивных жидкостей, суспензий, кислот и т. д.), имеющих температуру от —40 °С до +150 °С.

Ультразвуковые расходомеры

Действие ультразвуковых расходомеров основано на зависимости от расхода вещества разности времен прохождения ультразвуковых сигналов по потоку вещества и против него. Измеряется время прохождения ультразвукового сигнала от одного излучателя до приемника по направлению течения вещества (например, жидкости), так и против его течения. Разница во времени прохождения ультразвукового сигнала будет прямо пропорциональна скорости потока вещества, а знак этой разности покажет направление потока. Основными элементами преобразователей являются пьезоэлементы, преобразующие переменное электрическое напряжение в ультразвуковые колебания среды. Часто применяются кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Может быть реализована одноканальная или двухканальная схема ультразвукового преобразователя.

Ультразвуковые расходомеры обычно измеряют среднюю по диаметру, а не среднюю по сечению трубопровода скорость потока (в силу чего предъявляются высокие требования к длинам прямых участков перед расходомерами). Как правило, ультразвуковые расходомеры измеряют объемный расход.

Достоинства: ультразвуковые расходомеры не создают препятствий для потока, и, как следствие этого, минимальные потери давления в трубопроводе; не имеют движущихся частей; обладают возможностью достижения высокой точности измерений и высоким быстродействием.

Недостатки: методические ограничения (влияние пузырьков, механических частиц, приводящих к возможности засора излучателя и приемника, находящихся внутри трубопровода). Основные источники погрешностей: неправильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряемой среде; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов. Основные погрешности, %: 1...5.

Применение: преимущественно для больших диапазонов измерения расхода незагрязненного газа.

Кориолисовы расходомеры

Кориолисовыминазываются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношению к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.

Рисунок 5.7. Силы, действующие на первичный преобразователь кориолисова расходомера:  — силы воздействия; — перемещение; — угол закручивания

Кориолисовы массовые расходомерынепосредственно измеряют массовый расход жидкостей, газов и взвесей без предварительного определения плотности и объема. Схема первичного преобразователя изображена на рисунок 5.7. Труба, имеющая U-образную форму, после приведения ее с помощью электромагнитной катушки в колебательное движение, колеблется с собственной частотой (амплитуда менее 1 мм, частота — десятки герц). При движении трубы вверх газ, втекающий в трубу, давит на трубу вниз. На выходе из нее тот же газ дополнительно способствует движению трубы вверх, что, собственно, приводит к закручиванию U-образной трубы. Во время второго периода колебаний, когда U-образная труба движется вниз, она закручивается в противоположную сторону. Это закручивание называют эффектом Кориолиса. При этом, угол закручивания трубы прямо пропорционален расходу газа. Электромагнитные датчики, расположенные с каждой стороны трубы, измеряют скорость колебания трубы. Массовый расход газа определяют, измеряя разницу во времени поступления двух сигналов по скорости, эта разница прямо пропорциональна массовому расходу газа.

Трубу первичного преобразователя располагают изгибом вверх, чтобы предотвратить накопление конденсата в ней. Выпускаются и другие преобразователи, действие которых основано на эффекте Кориолиса, представляющие собой отрезок прямой трубы, закрепленный с обоих концов и вибрирующей с максимальным прогибом в своей средней части.

Достоинства: наличие конденсата, твердых частиц не влияет на условия применения кориолисова расходомера. Широкий диапазон измерения, малые потери давления. Высокая точность. Этот принцип измерения позволяет получить информацию не только об объемном, но и о массовом расходе и плотности среды, проходящей через измерительный преобразователь. Кориолисовы расходомеры относят к «интеллектуальным» изделиям, так как они могут иметь встроенные микроконтроллеры для вычисления комплекса показателей.