Расходометры

Вихревые расходомеры появились  сравнительно недавно и поэтому  еще не получили широкого распространения. Но благодаря своим достоинствам и более низкой по сравнению с  турбинными и электромагнитными расходомерами стоимости они весьма перспективны. /1/

5. Электромагнитные расходомеры

1. Принцип действия и общая характеристика

В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющееся  закону электромагнитной индукции.

Основное применение получили такие  электромагнитные расходомеры, у которых  измеряется ЭДС, индуктируемая в  жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого (рис. 5) в участок 2 трубопровода, изготовленный из немагнитного материала, покрытого внутри неэлектропроводной изоляцией и помещенного между полюсами 1 и 4 магнита или электромагнита, вводятся два электрода 3 и 5 в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на электродах 3 и 5 определяется уравнением .

Е == BDu = 4BQ_о/pD,

где В — магнитная индукция; D — расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; u и Qo — средняя скорость и объемный расход жидкости.

Таким образом, измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объемному расходу Qo. Для учета краевых эффектов, вызываемых неоднородностью магнитного поля и шунтирующим действием трубы, уравнение умножается на поправочные коэффициенты к_м и к_и, обычно весьма близкие к единице.

Рис. 5. Принципиальная схема преобразователя расхода у электромагнитного расходомера

При измерении расхода расплавленных  металлов применяется постоянное магнитное  поле. При измерении же расхода  обычных жидкостей с ионной проводимостью во избежании поляризации электродов применяют переменное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. В случае питания их током промышленной частоты f поле имеет синусоидальную форму и его индукция B = Вmах sin 2nft. В этом случае ЭДС, пропорциональная расходу, изменяется по уравнению

 (11)

Но в последние годы все шире применяется переменное поле низкой частоты и особой формы. /1/

2.  Измерительные схемы электромагнитных расходомеров

Электродвижущая сила, создаваемая  первичным преобразователем электромагнитного расходомера, невелика. Обычно .она не превосходит 5—6 мВ. Это требует применения усилителей. .Для повышения точности измерения сила измерительного тока, протекающего через преобразователь, должна быть минимальной. Это достигается применением измерительных схем с очень большим входным сопротивлением, например с помощью катодного повторителя на входе усилителя. Более прогрессивными являются схемы с компенсацией сигнала перед его подачей на усилитель. Тогда в положении равновесия через преобразователь вообще не должен идти ток. В этом случае входное сопротивление усилителя может быть существенно меньше, что снизит вредное влияние «шумов» в нем. В измерительной схеме надо иметь устройство, устраняющее влияние на результаты измерения трансформаторной ЭДС, сдвинутой по фазе на 90° по отношению к основному сигналу. Кроме того, важно предусмотреть устройство, исключающее влияние изменения магнитного потока преобразователя, в частности, от колебания напряжения питания на показания расходомера.

Схема расходомера 4-РИМ показана на рис. 6. Он состоит из трех блоков: преобразователя расхода ПР, согласующего устройства УС-1 и измерительного прибора ИП. Электроды 1 преобразователя, включенные последовательно с обмоткой компенсационного трансформатора 3, присоединены к первичной обмотке разделительного трансформатора 2. К другой обмотке компенсационного трансформатора 3 подключен блок фазовращателей 13, позволяющий создавать в компенсационной цепи напряжение, обратное по фазе, но равное по амплитуде ЭДС на электродах преобразователя расхода. Вторичная обмотка трансформатора 2 связана с входом предварительного усилителя 8, последовательно с которым соединены узел фазирования 9, усилитель 10 с транзисторным ключом — подавителем квадратурной помехи и фазочувствительный усилитель 11. Последний управляет реверсивным двигателем 12, перемещающим плунжер дифференциально-трансформаторной катушки 6. Ее первичная обмотка, шунтированная конденсатором 5, соединена с вторичной обмоткой трансформатора тока 4, первичная обмотка которого, включенная последовательно с обмоткой возбуждения преобразователя расхода, питается от сети. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки дифференциально-трансформаторной катушки 6, подается к блоку фазовращателей 13. Терморезистор 7 служит для компенсации изменения окружающей температуры. Постоянное напряжение питания на предварительный усилитель 8 подается от блока 14 через разделительный диод и конденсатор. /1/

Рис. 6. Схема расходомера 4-РИМ.

3. Основные составляющие погрешности электромагнитного расходомера.

1) Погрешность от напряжения  поляризации при изменении расхода  электролитов. Эта составляющая  уменьшается при использовании  переменных магнитных полей с  частотой 10 — 1000 Гц.

2) Погрешность от ЭДС, наводимой  в приемном контуре переменным магнитным полем за счет трансформаторной связи. Она может быть снижена путем создания противо-ЭДС, индуцируемой в специальной индукционной катушке.

3) Погрешности от паразитных наводок,  обусловленных емкостными связями  между системой возбуждения переменного магнитного поля и приемным контуром. Уменьшение этой погрешности возможно за счет применения экранирования.

4) Погрешность вследствие искажения  эпюры распределения скоростей  в циллиндрическом канале индукционного  преобразователя. Она может быть снижена использованием неоднородного магнитного поля специальной конфигурации или применением преобразователя прямоугольного сечения с пластинчатыми электродами, у которых эта погрешность отсутствует.

При использовании в качестве источников магнитного поля систем с постоянными магнитами возможны погрешности вследствие временной и температурной нестабильности характеристик магнитных систем. Эти погрешности особенно существенны у расходомеров для жидких металлов, у которых температура элементов магнитной системы достигает 100-200⁰С. Причиной значительных погрешностей могут быть термо-ЭДС, возникающая вследствие неправильного выбора материала электродов и других элементов приемного контура, а также наличия градиента температур между электродами. Термо-ЭДС уменьшаются при расположении электродов в горизонтальной плоскости на вертикальном участке трубопровода. /2/

4. Достоинства

Достоинства электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра отсутствие потери давления, линейность шкалы, необходимость в меньших длинах прямых участков труб, чем у других расходомеров, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Можно измерить водопроводную воду, щелочи, кислоты и другие жидкости, применяемые в химической промышленности, соки, сиропы и разнообразные жидкости в пищевой промышленности, различные водные растворы в алюминиевой и других отраслях промышленности, сточные жидкости и т. п. С помощью особых электрических измерительных схем предел применения рассматриваемых расходомеров повышен до 10^-5 См/м.

Помимо  измерения расхода различных  жидкостей и пульп с ионной проводимостью, а также расхода  расплавленных металлов электромагнитный метод применяется для измерения расхода крови в медицинской и физиологической практке, а также для измерения скорости морских течений и воды в открытых руслах.

5. Недостатки.

Электромагнитные расходомеры  неприменимы для измерения расхода  газа и пара, а также жидкостей диэлектриков, таких, как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у которых удельная электрическая проводимость не менее 10³ См/м. /1/

6. Турбинные(тахометрические) расходомеры.

Тахометрическими называются расходомеры  и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость которого пропорциональна объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, шариковые, роторно-шаровые и камерные.

Для создания тахометрического расходомера  скорость движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый преобразователь расхода. Его первая ступень — турбинка или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень - тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела.

Турбинные тахометрические расходомеры и  счетчики количества могут изготовляться  для труб диаметром от 4 до 750 мм, для давлений до 250 МПа и температур от -240 до +700 °С. У нас турбинные приборы применяются преимущественно для измерения расхода и количества воды, различных нефтепродуктов и других жидкостей.

Турбинные преобразователи расхода могут быть c аксиальной и с тангенциальной турбинкой. У первых лопасти расположены по винтовой линии, а ось совпадает с осью потока. У вторых ось перпендикулярна к направлению потока, а прямые лопасти расположены радиально по отношению к оси. Аксиальные турбинки встречаются чаще, чем тангенциальные. Последние применяют лишь при небольших диаметрах труб, обычно до 50 мм.

Зависимость числа оборотов п в единицу времени от объемного расхода Qo у аксиальной турбинки выражается в общем виде уравнением

n = j (Q₀, n, r, M_c, D, d_н, d_в, z, l, H),

где n и r — кинематическая вязкость и плотность измеряемой жидкости; M_с — момент сопротивления тахометрического преобразователя; D — диаметр трубопровода; d_н и d_в — наружный и внутренний диаметры лопастей турбинки; z — число, а l — осевая длина лопастей; H — шаг лопастей по винтовой линии. На основании p-теоремы подобия предыдущее уравнение может быть выражено в критериальной форме с помощью критериев подобия:

p_i = nD³/Q_o;

p₂ = Q_o/nD;

p₃ = М_сD/rQ₀²;

p₄ = d_н/D;

p₅ = d_в/D;

p₆ = z;

p₇ = l/D;

p₈ = H/D;

nD³ /Q₀ = f(Q₀/nD; M_cD/rQ₀²; d_н/D; d_в/D; z; l/D; H/D).

Для тангенциальной турбинки критерий H/D будет отсутствовать, а l будет обозначать высоту лопастей.

Рис. 7. Зависимость между критериями nD³/Q и Re (а) в nD²/n и Re (б) для турбинки с D = 25 мм

 

Для конкретной турбинки все критерии, кроме p₁, p₂, p₃, будут постоянными. Поэтому отношение n/Q_o, входящее в критерий и являющееся основной характеристикой расходомера, будет зависеть только от числа Re = p₂ и от критерия M_cD/pQ₀². Последний же может иметь практическое значение лишь вначале шкалы, так как с увеличением расхода Q_o он резко убывает, не говоря о том, что момент сопротивления М_с обычно очень мал. Поэтому характеристика расходомера определяется главным образом числом Рейнольдса. Это хорошо иллюстрируют рис. 7, а и 7, б. На первом из них построена кривая зависимости nD³/Q_o от Re, а на втором — nD²/n от Re, полученные при испытании аксиальной турбинки, имевшей D = 25 мм, на жидкостях различных вязкостей от 6×10^-6 до 7×10^-4 м²/с.

Из графиков следует, что при  средних и больших значениях  Re отношение n/Q_o сохраняет практически постоянное значение и шкала расходомера имеет почти линейный характер. Диапазон измерения Q_max/Q_min с линейной градуировкой, не зависящей от свойств (вязкости и плотности) вещества, возрастает от 5 — 10 при малых диаметрах труб и малых скоростях до 15 — 20 при больших скоростях и больших диаметрах. С уменьшением значения Re при переходе от турбулентного к ламинарному движению начинает все сильнее сказываться влияние вязкости, и относительная скорость вращения турбинки n/Q_o падает, градуировка становйтся нелинейной. Этому способствует и усиление влияния момента сопротивления Мс. Часто в переходной зоне от турбулентного к ламинарному движению вначале наблюдается даже некоторое повышение n/Q_o, и на соответствующей кривой в данном месте образуется максимум.

Нарушение линейности характеристики в некоторых случаях имеет  место не только в области малых, но и в области больших значений Re.

1. Влияние вязкости.

Возможны три режима движения жидкости в проточной части турбинки: ламинарный, переходный и турбулентный. Основной диапазон работы соответствует турбулентному режиму. Здесь, в автомодельной области между w и Q_o сохраняется (в пределах ±0,5 %) пропорциональность при условии постоянства вязкости измеряемой жидкости. Переход на более вязкую жидкость вызывает иногда небольшое увеличение отношения w/Q_o и уменьшение области постоянства w/Q_o, так как переходный режим от турбулентного к ламинарному наступает при больших расходах Q_oп. Сказанное иллюстрирует рис. 8, где по данным работы на оси абсцисс отложена частота f импульсов, пропорциональная w, а на оси ординат — отношение f/Q_o (1—n = 2×10^-6м²/с; 2—n = 5×10^-6м²/с; 3—n = 14×10^-6м²/с).

Возрастание Q_o прямо пропорционально увеличению вязкости, что обусловлено неизменностью критического числа Рейнольдса. Возрастание же w/Qo с увеличением вязкости происходит не всегда (см. кривые 2 и 3 на рис. 8) и объясняется рядом причин, среди которых толщина пограничного слоя и характер профиля скоростей в .проточной части преобразователя.

Рис. 8. Влияние вязкости на линейность характеристики турбинного расходомера.

 

Степень возрастания зависит от конструкции турбинного преобразователя.Она  снижается с уменьшением высоты лопастей и уменьшением угла их подъема (хода лопастей). Так, по данным, при переходе от воды к маслу, вязкость которого в 25 раз больше, наблюдалось возрастание w/Q_o на 8,6 % у турбинки, имевшей наружный и внутренний диаметры лопастей 30 и 8 мм соответственно и средний угол их подъема 63° 30'. У аналогичной турбинки, но с углом подъема 45° возрастание w/Q_o было лишь на 4,8 %. У турбинки же с укороченными лопастями (внутренний диаметр 15 мм) и углом подъема 40° 30' возрастание w/Q_o снизилось до 1 %. Влияние вязкости как на w/Q_o, так и на Q_oп, уменьшается с увеличением диаметра турбинки. Эффективное средство для уменьшения О_оп — установка перед турбинкой сетки или другого устройства, турбулизующего поток.

Некоторое возрастания отношения w/Q_o происходит в переходной области от турбулентного к ламинарному режиму (см. кривую 1 на рис. 8). При этом на кривой образуется горб с последующим падением w/Q_o, причем темп снижения w/Q_o по мере уменьшения Q_o все возрастает, пока не достигнет постоянного значения в области ламинарного режима. Причинами появления горба на кривой w/Q_o могут быть как заострение профиля скоростей, так и увеличение толщины пограничного слоя, сопровождающееся уменьшением живого сечения проточной части и возрастанием скорости в ней. Подобный горб возникает не всегда, а лишь при некотором соотношении профиля проточной части и вязкости жидкости. Так, уменьшение зазора между лопатками и стенкой трубы и увеличение густоты решетки профиля (отношение хорды лопаток к их шагу) способствует возрастанию горба.