Электромагнитные расходомеры

Введение

Электромагнитные расходомеры (ЭР) – это расходомеры, в основе работы которых лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющейся закону электромагнитной индукции.
Актуальность темы реферата заключается в том, что неоспоримые достоинства электромагнитных расходомеров — отсутствие гидродинамического сопротивления, отсутствие подвижных механических элементов, высокая точность, быстродействие — определили их широкое распространение.
Цель работы – более полное изучение электромагнитных расходомеров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть общие сведения об электромагнитных расходомерах, их принцип действия и особенности конструкции, типы электромагнитных расходомеров, их применение и эксплуатация, а также подробнее изучить данные приборы на примере электромагнитных расходомеров Питерфлоу РС.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (четыре главы), заключение и библиографический список, состоящий из десяти источников литературы.


1. Электромагнитные расходомеры
1.1 Общие сведения
Электромагнитный расходомер (ЭР) – это технологичный прибор, довольно широко применяющийся для измерения показателей жидких и газообразных и жидких веществ, учета расхода теплоносителя.1

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема электромагнитного расходомера:
1 - трубопровод; 2 - полюса магнита; 3 - электроды для съема ЭДС;

Самыми применимыми являются те ЭР (Рисунок 1.1), у которых измеряется ЭДС, индуктируемая в жидкости, когда пересекает магнитное поле. Именно для этого между полюсами электромагнита, либо магнита устанавливается участок трубы. Он внутри покрыт изоляцией, не проводящей электрический ток и изготовлен данный трубопровод из немагнитного материала. Далее вводятся 2 электрода в направлении силовых линий магнитного поля и в направлении, которое перпендикулярно и к направлению жидкости. Все, что указано выше – это закон Фарадея (закон электромагнитной индукции) Нижеуказанным образом вычисляется разность потенциалов на электродах:
E = (1.1)
где В – магнитная индукция; D – расстояние между концами электродов, которое равно внутреннему диаметру трубы; v – средняя скорость жидкости; Q0 – объёмный расход измеряемой жидкости.
Из вышеуказанной формулы (1.1) видно, что разность потенциалов Е, которая измеряется, прямо пропорциональна объёмному расходу жидкости (вещества) Q0.
1.2 Принцип действия и особенности конструкции
Постулат Фарадея – фундаментальный закон электродинамики, является основанием для работы ЭР (Рисунок 1.2). Этот постулат говорит о том, что при движении в электромагнитном поле проводника, возникает ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника в этом электромагнитном поле. Данное свойство нашло применение в большом количестве электротехнических устройствах, примером служат электрические моторы и генераторы. Не стал исключением и ЭР2

Рисунок 1.2 – Принцип действия ЭР

В ЭР в виде проводника электрического тока может быть какая-либо среда или жидкость. Важно, чтобы проводимость жидкости или вещества была не меньше одной тысячной см/м Протекая по трубе, жидкость создает ЭДС, так как труба расположена между электрическими, либо постоянными магнитами. Циферблат, показывающий точные показания вращается за счет электродвижущей силы. В приборах, которые имеют жидкокристаллический дисплей, на переводной коэффициент умножается значение электродвижущей силы.
Токопроводящий элемент ЭР должен быть сделан из материала, который не намагничивается, и тогда ЭР сможет выполнять предназначенные функции. Как правило, в качестве такового применяются пластик, либо нержавеющая сталь. При использовании нержавеющей стали, внутри ее укладывается полиэтилен, либо фторопласт.
Два электрода и магниты располагают относительно трубы перпендикулярно. Электроды регистрируют изменение электродвижущей силы, располагаясь на одной линии. Считываемый электродами ЭР сигнал, регистрируется отсчетной системой и проходит сквозь усилитель.
ЭР имеют различия в источниках магнитного поля, поэтому существует 2 их типа. Может продуцироваться как работающими от электричества магнитами, так и постоянными магнитами. Технические характеристики устройств и сферу применения определяет источник. На тип измеряемой жидкости влияет, какое поле применяется – переменное, либо постоянное. 3


2. Типы электромагнитных расходомеров
2.1 Электромагнитные расходомеры с импульсным магнитным полем низкой частоты
С довольно значительными ограничениями и помехами связано применение переменного магнитного поля. Эти помехи и ограничения с увеличением частоты поля проявляются сильнее. Именно из-за этого уменьшают обычную частоту магнитного поля ЭР до пятидесяти герц, если не нужно измерять быстропеременные расходы. Все это способствует нескольким преимуществам:
• Влияние помех из вне промышленной частоты исчезает совсем.
• Влияние вихревых токов практически до конца устраняется, поэтому создание преобразователей расхода на высокое давление значительно упрощается.
• Уменьшается действие собственных емкостных и индукционных помех.
• Уменьшается потребление электрической энергии.
• От шихтованного магнитопровода может произойти отказ.
• Из-за исключения измерительных цепей и экранировки электродов изготовление значительно упрощается.
Главными достоинствами ЭР с импульсным магнитным полем является существенно меньшая затрачиваемая мощность и высокая точность измерения по сравнению с переменным полем, имеющим синусоидальную форму промышленной частоты, где относительная погрешность находится в интервале от 0,2 до 0,5 процентов.


2.2 Электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем
До минимума сводит поляризацию электродов переменное магнитное поле. Поэтому данное поле получило широкое применение в ЭР.
Все же некоторые ограничения имеются при применении данного поля:
1. Ограничивается применение переменного магнитного поля, имеющего небольшую электрическую проводимость, так как токи смещения протекают в преобразователе расхода ЭР.
2. Преобразователь расхода с измерительным прибором связывается проводами, их длина ограничена емкостным сопротивлением между данными проводами.. Если сопротивление нагрузки будет в сто-пятьсот раз превышать сопротивление преобразователя, то его электродвижущая сила будет измеряться очень точно. Следующими способами можно уменьшить влияние емкости проводов: усилитель расположить у преобразователя расхода и отделить его первую ступень от измерительного прибора, а также подача напряжения на внутренний экран и применение проводов с двойным экраном.
3. Вместе с полезным сигналом электродвижущей силы при переменном магнитном поле возникает и трансформаторная электродвижущая сила, ее еще называют паразитной ЭДС. Первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля является ее источником. Электродвижущая сила трансформаторная может быть намного больше полезного сигнала. Обычно она больше на двадцать-тридцать процентов. Уменьшив площадь контура при помощи расположения плоскости витка, который образован проводниками, которые идут от электродов, параллельно силовым линиям магнитного поля, можно устранить вышеуказанное нежелательное явление

. Самого маленького сигнала помех можно добиться при перемещении проводников.


4. Появление вихревых токов Фуко вызывается переменным магнитным полем, как в измеряемой жидкости, в стенках трубы, так и в магнитопроводе. Величина данных токов при довольно большой толщине стенки высока. Это приводит к возникновению их собственного магнитного поля. Основное магнитное поле под его действием ослабляется.
5. Из-за внешних электромагнитных полей и блуждающих токов могут быть помехи.
6. Изменение измеряемой электродвижущей силы и индукции магнитного поля могут вызвать изменение температуры электромагнита, частоты питания и напряжения. Напряжение питания электромагнита делают опорным напряжением схемы сравнения для устранения данного эффекта.
7. Не более 0,25-0,30 Тл должна быть индукция магнитного поля. Это объясняется тем, что увеличение индукции вызывает рассеивание магнитного потока и усиление помех.
8. В ЭР имеется шумовая, или ее еще называют паразитной, электродвижущая сила. Она возникает во внутреннем сопротивлении жидкости между электродами от тепловых шумов. Данное явление возводит границы для применения ЭР для жидкостей, имеющих удельное сопротивление ощутимое.4
2.3 Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем
Отнести к главным достоинствам постоянного магнитного поля можно следующее:
• устройство магнитной системы не сложное;
• можно измерить расходы, которые изменяются с довольно высокой частотой;
• нет помех, которые возникаю при применении переменного магнитного поля в электромагнитных расходомерах;
• есть возможность измерения расхода веществ, имеющих электрическую проводимость невысокую.
Поляризация электродов – это недостаток, присущий постоянному магнитному полю. При этом недостатке нарушается нормальная работа ЭР, так как появляются весомые дополнительные погрешности. Применяя специальные покрытия для электродов, либо электроды из специальных материалов уменьшают поляризацию. Специальные покрытия – это платиновые, танталовые и др., а специальные материалы – это каломелиевые и угольные.
Поэтому постоянное магнитное поле для измерения жидкостей с ионной проводимостью просто на просто не нашло применение. Для измерения расхода расплавленных металлов и используется вышеуказанное поле. Кстати, расплавленные металлы имеют не ионную проводимость, а электронную.
Стоит отметить, что ЭР, имеющие постоянное магнитное поле, применяются в исследованиях и лабораториях.


3. Применение и эксплуатация электромагнитных расходомеров
3.1 Сферы эксплуатации
В каких же направлениях и областях применяются ЭР? В сфере водных и энергетических ресурсов и получили свое распространенное применение ЭР. Например, данные приборы используются в отопительных системах.
Как указывалось ранее, ЭР применяется в пищевой, металлургической, а также биохимической промышленности. Применяют ЭР этой категории медицинские учреждения, рудообаготительные предприятия, строительные организации и др.
ЭР просто незаменим в автоматизации регулирования потоков рабочих веществ. Данный прибор нашел свое применение при отслеживании расходов газообразных и жидких веществ, которые изменяются быстро. 5
3.2 Метрологические характеристики и область применения электромагнитных расходомеров
В основном погрешность ЭР определяется погрешностями измерения разности потенциалов электродвижущей силы и погрешностями градуировки ЭР. Непостоянство напряжения питания, наводки, различные помехи, процессы в потоке жидкости (электрохимические) и др. не дают получить довольно высокого измерения расхода. Хотя данный тип ЭР по своему принципу работы имеет очень высокую точность измерения расхода. Например, ЭР, изготовленные в Советском Союзе имеют класс точности от одного до двух с половиной процента, и это не смотря на современные средства измерения электродвижущей силы, а также на градуировку, индивидуальную для ЭР.
Так как ЭР малоинерционные (по сравнению с другими расходомерами), то они нашли широкое применение в медицине, строительстве, промышленности пищевой, биохимической и металлургической. ЭР просто незаменимы при измерении быстро меняющихся расходов и где запаздывание играет весомую роль.
Так как первичные преобразователи ЭР не имеют изменений профиля, сужений и частей, которые выступают внутрь трубы, на приборе гидравлические потери минимальные. Данные ЭР применяют в пищевой и биохимической промышленности, требования к стерильности измерения среды являются доминирующими. Коагулирование и застаивание измеряемого продукта исключает полное отсутствие полых углублений.
На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, а также физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.), если они не изменяют её электропроводность. Физико-химические свойства вещества (жидкости), пузырьки газа и взвешенные в этом веществе частицы не влияют на показания ЭР, при условии, что электропроводность вещества не изменяется и остается постоянной.
ЭР монтируют в различном положении на расстояниях не менее 8-ми диаметров до местных сопротивлений и не менее двадцати диаметров трубы после местных сопротивлений. К тому же конструкция преобразователей ЭР дает возможность применять антикоррозионные, изоляционные и др. покрытия. Все это дает возможность измерять расход абразивных и агрессивных веществ.
Вышеуказанные преимущества и сделали ЭР распространенными, хотя им нужен тщательный уход и они имеют непростую конструкцию. 6
ЭР применяются как для больших расходов жидкостей, до трех кубических метров в секунду, так и небольших, до одного кубического миллилитра в секунду. У ЭР одинакового типоразмера диапазон измерения очень большой и может достигать десяти к одному.
Существенным недостатком является то, что ЭР данного типа не пригодны для измерения жидкостей с небольшой электропроводностью, а также для газов. Создать ЭР для измерения расхода различных жидкостей и уменьшить требования к электрической проводимости, позволит разработка специальных автоматически компенсирующих устройств.
3.3 Поверка
Статическое взвешивание – это самый точный метод поверки ЭР (Рисунок 3.1). Запорный клапан и образцовые весы применяются для его реализации. В течение работы рабочая жидкость измеряется по измерению веса емкости до ее заполнения и после при прохождении вещества через ЭР, в течение промежутка времени.

Рисунок 3.1 – Поверка электромагнитных расходомеров

Достоинства метода поверки ЭР следующие :
• высокая точность измерения;
• можно соотносить результаты с величинами, которые соответствуют государственным стандартам;
• можно проводить поверку ЭР, работающего, напрмер, с горячими жидкостями;
• поверка автоматизированна.

3.4 Распространенные модели
Далее рассмотрены наиболее популярные ЭР, используемые на рынке нашей страны.
ЭР «ПРЭМ» используется для измерения расхода жидких веществ и объема