Вопрос №3

 

Расходомеры постоянного перепада давления, тахометрические и электромагнитные

Ротаметры. Наиболее распространенными представителями расходомеров постоянного перепада являются ротаметры. Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы от 0,002 до 70 м³/ч) или газов (верхние пределы от 0,05 до 600 м³/ч) в вертикальных трубопроводах диаметром 3...150 мм.

Ротаметры обладают рядом достоинств: простота устройства; возможность измерения малых расходов однофазных жидкостей и газов в трубопроводах малых диаметров; высокая точность при индивидуальной градуировке прибора; малая потеря давления; практически равномерная шкала; динамический диапазон G _в.п. /G _н.п. достигает десяти.

Недостатками ротаметров являются необходимость установки только на вертикальных участках трубопроводов; трудности дистанционной передачи показаний и записи; непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой.

В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1 (рис. 13.1), внутри которой располагается поплавок 2. Поплавки могут иметь различную форму. Одна из форм — цилиндрическая с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.

Рис. 13.1. Схема ротаметра:

1 — стеклянная трубка; 2 — поплавок

 

Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор f _к, при прохождении через который поток сужается, скорость его растет, и возникает разность между давлением в сечении до начала сужения и давлением р₂ в самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь увеличивается. Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно связано с расходом.

Рассмотрим подробнее силы, действующие на поплавок, находящийся в среде плотностью ρ. На поплавок, имеющий объем наибольшее сечение среднюю плотность , сверху вниз действует си­а тяжести

Снизу вверх на поплавок действуют:

1) сила, обусловленная разностью статических давлений возникающая вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре p ₁ - p ₂ между стенкой и поплавком,

2) динамический напор где φ — коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы; р — плотность среды; и — ее скорость в сечении АА;

3) сила трения потока о боковую поверхность поплавка N к — коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поплавка; — средняя скорость потока в кольцевом зазоре; п - показатель степени, зависящий от скорости; f _б — площадь боковой поверхности поплавка.

Поплавок будет висеть в потоке жидкости или газа, если соблюдается равенство сил, действующих на него сверху и снизу:

Отсюда можно получить уравнение

Силы и обычно малы, и если ими пренебречь, то можно записать

(13.1)

т.е. перепад давления на поплавке оказывается не зависящим от расхода (в действительности из-за увеличения и перепад с увеличением расхода несколько уменьшается). Поэтому ротаметры относятся к группе расходомеров постоянного перепада. Действие ротаметра можно пояснить, используя выражение (13.1).

Предположим, что при исходном расходе С₀ поплавок занимает исходное положение, характеризующееся площадью кольцевого зазора f _к. При этом на поплавок действует перепад при котором выполняется равенство (13.1). При увеличении расхода в первый момент положение поплавка и неизменны, в силу чего и начнут увеличиваться. При этом нарушается равенство (13.1), поплавок начнет подниматься вверх и будет увеличиваться (из-за конусного профиля трубки), что приведет к уменьшению и в кольцевом зазоре и р_] — р₂. Поплавок будет подниматься до тех пор, пока вновь не восстановится равенство (13.1). Очевидно, что любому расходу будет соответствовать определенная площадь кольцевого зазора, т.е. определенное положение поплавка. Уравнение, связывающее G₀ и f _к, обычно записывается в виде, аналогичном уравнению расхода для расходомеров переменного перепада:

и

С учетом (13.1)

Из (13.2) следует, что при α = const существует линейная зависимость между G₀ и f _к. Однако при конической форме трубки линейной зависимости между G₀ и перемещением поплавка Н не будет из-за нелинейной зависимости . Кроме того, в реальных условиях при перемещении поплавка несколько изменяется Поэтому использование равномерной шкалы для ротаметров обусловливает определенную долю в общей погрешности измерения.

Из (13.2) следует также, что положение поплавка зависит не только от расхода, но и от плотности контролируемой среды, т.е. градуировка ротаметра должна производиться с ее учетом. Из-за большого разнообразия контролируемых сред ротаметры подразделяются на две группы: для жидкостей, которые градуируются на воде, и для газов, которые градуируются на воздухе. Если такие ротаметры используются для измерения расхода других сред, то их показания нужно умножать на поправочный множитель Если плот­ность измеряемой и градуировочной сред близки, то

 

 

Обычно для газов и в этом случае Переградуировка ротаметра на другой диапазон измерения в соответствии с (13.2) может быть осуществлена изменением р_п, например в результате изготовления поплавка из другого материала или пустотелым.

Погрешность измерения расхода ротаметром может быть определена через погрешности величин, входящих в формулу (13.2). Наибольшее влияние на погрешность оказывает изменение а (например, из-за изменения структуры потока вследствие турбулентности), погрешность определения плотности среды, отличие действительных размеров трубки и поплавка от расчетных, отличие массы поплавка от расчетной. Эти погрешности имеют достаточно большие значения, причем некоторые из них возрастают к началу шкалы.

Основная погрешность ротаметров обычно равна при индивидуальной градуировке она может быть уменьшена до Обычно нижний предел измеряемого расхода ротаметра G_н.п. составляет 0,1 от верхнего предела G_в.п.. Важным отличием ротаметров от других типов расходомеров является незначи­тельная и почти постоянная в рабочем диапазоне потеря давления. У стандартных расходомеров она не превышает 10 кПа для жидкостных приборов и 5 кПа для газовых.

Ротаметры выпускаются нескольких типов. Стеклянные показывающие ротаметры типа РМ имеют шкалу, нанесенную на наружную поверхность конической стеклянной трубки. Шкалы могут градуироваться в различных единицах: в единицах расхода, в процентах от максимального деления, в миллиметрах, в долях отношений диаметра трубки к диаметру поплавка. Очевидно, что в последних случаях ротаметр снабжается градуировочной характеристикой.

Показания считываются по положению верхней горизонтальной плоскости поплавка. Ротаметры со стеклянной конической трубкой применяются для измерения расхода газов или прозрачных жидкостей, находящихся под давлением не более

Для измерения расхода сред с избыточным давлением до 6,4 МПа (64 кгс/см²) используются ротаметры с металлической конической трубкой. Обычно такие ротаметры снабжаются дифференциально-трансформаторными или пневматическими преобразователями для дистанционной передачи показаний. Основная приведенная погрешность ротаметров с дифференциально-трансформаторным преобразователем в комплекте с вторичным прибором составляет ±2,5 %, с пневматическим выходным сигналом

В зависимости от диапазона измерения, плотности и агрессивности среды поплавки изготавливаются из нержавеющей стали, титана, алюминиевых сплавов, пластмассы, фторопласта.

Тахометрические счетчики и расходомеры. Тахометрическими называются расходомеры, в которых скорость движения рабочего тела пропорциональна объемному расходу измеряемой среды. В большинстве случаев рабочее тело — преобразователь расхода (крыльчатка, турбинка, шарик и т.п.) — под воздействием потока вращается. В зависимости от устройства рабочего тела тахометрические расходомеры подразделяются на крыльчатые, турбинные, шариковые, камерные, кольцевые и др.

Тахометрические преобразователи расхода могут использоваться как в счетчиках количества, так и в расходомерах. В первом случае преобразователь расхода (например, турбинка) связан со счетным механизмом. Тахометрические расходомеры содержат электрические тахометрические преобразователи частоты вращения чувствительного элемента в электрический сигнал, измеряемый затем вторичным прибором. Электрические преобразователи скорости оказывают незначительное тормозящее действие на подвижный элемент (по сравнению с механической передачей в счетчиках), в силу чего точность тахометрических расходомеров выше точности счетчиков с механическим редуктором. Тахометрические приборы измеряют объемные расходы. При необходимости измерения массовых расходов они должны снабжаться либо измерителями температуры и дав­ления, либо плотномерами, вычислительными устройствами.

Тахометрические расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей (реже газов), причем некоторые их разновидности могут использоваться на загрязненных жидкостях. Наиболее широко эти расходомеры используются в коммунальном хозяйстве для учета индивидуального потребления горячей и холодной воды, газа.

Тахометрические расходомеры обладают следующими положительными чертами: широкий динамический диапазон, достигающий 25; высокая точность, получаемая за счет индивидуальной градуировки приборов; простота получения и съема показаний. К числу их недостатков относятся значительная потеря давления, требования к длинам линейных участков до (свыше 10D) и после (более 3D) счетчика, износ подшипников при наличии загрязнений в воде и газах, ограничения по диаметру трубопровода.

В соответствии с ГОСТ 14167-83 в технической документации водосчетчиков указывается четыре значения объемного расхода: максимальный G _o.max, на котором допускается кратковременная работа счетчика и для которого определяется потеря давления; эксплуатационный , при котором рекомендуется длительная работа счетчика; переходной и минимальный В диапазоне счетчик имеет минимальный предел относительной погрешности, составляющей, например ±2 %, в области нормируется большее значение погрешности, достигающее, например ±4 %.

Крыльчатые и турбинные расходомеры применяются для измерения расхода различных жидкостей за исключением очень вязких и загрязненных, поскольку для них важной является смазывающая способность измеряемой среды. Для измерения расхода газа турбинные расходомеры применяются реже. Это связано с тем, что из-за малой плотности газа достаточно большой вращающий момент получается только при больших расходах, что уменьшает диапазон измерения расходомера и повышает порог чувствительности. Кроме того, в газовой среде ускоряется износ подшипников.

При диаметрах трубопроводов от 15 до 40 мм применяются крыльчатые расходомеры, а от 50 до 250 мм — турбинные. На рис. 13.2, а схематично показано устройство турбинного преобразователя расхода жидкости. Корпус преобразователя 1 представляет собой отрезок трубы с двумя фланцами для присоединения его к трубопроводу. Внутри корпуса установлены струевыпрямители 2 и 3, соединенные осью, на которой расположена турбинка 4. В расходомерах частота вращения турбинки, пропорциональная объемному расходу, с помощью тахометрического. преобразователя 5 преобразуется в частоту импульсов выходного сигнала. При известной цене импульса их суммарное число определяет объемный расход на интервале времени. Импульсный сигнал с помощью специальной схемы преобразуется в аналоговый выходной сигнал. В счетчиках количества число оборотов турбины, пропорциональное количеству протекшего вещества, измеряется счетным механизмом, соединенным с осью турбинки шестеренчатым редуктором и магнитной муфтой. Если редуктор находится в воде, то счетчик называется мокроходным, если редуктор вынесен из воды, то счетчик является судоходным. В основном используются последние. Счетчики могут давать импульсный сигнал, пропорциональный числу оборотов, для чего на стрелке отсчетного устройства устанавливается постоянный магнит, который вызывает срабатывание герконового реле. Цена импульса зависит от того, на стрелке какой декады счетчика установлен магнит.

 

Рис. 13.2. Устройство турбинных преобразователей расхода:

а — четырехлопастная турбина; б — турбина однострунных водосчетчиков; 1 — корпус;

2, 3 — струевыпрямители; 4 — турбинка; 5 — тахометрический преобразователь

 

Турбинки тахометрических расходомеров подразделяются на аксиальные и тангенциальные. У первых — ось совпадает с направлением потока, у вторых — она перпендикулярна потоку.

Аксиальные турбинки имеют лопасти винтовой формы (рис. 13.2, а). При малом диаметре турбинок число лопастей мало (4—6), но они имеют большую длину. При больших диаметрах турбинки число лопастей велико (до 20), но их высота и длина невелики (относительно диаметра).

Конструкции тангенциальных турбинок разнообразны. В качестве примера на рис. 13.2, б показана турбинка серийно выпускаемых одноструйных водосчетчиков.

При незначительных нагрузках на турбинку ее частота вращения со пропорциональна объемному расходу G₀. Однако на характер этой зависимости влияют вязкость v и плотность ρ измеряемой среды, момент сопротивления М_с от трения в опорах и реакции тахометрического преобразователя частоты вращения (см. рис. 13.2, а поз. 5) или механического счетчика, конструктивные параметры турбинки. С увеличением вязкости и снижением числа Re коэффициент преобразования турбинного преобразователя уменьшается.

Зависимость показаний турбинных расходомеров от вязкости контролируемой среды является их существенным недостатком. Влияние момента сопротивления М_с наиболее сильно проявляется при уменьшении измеряемых расходов, так как вращающий момент снижается в большей степени, чем М_с. Это обстоятельство сужает диапазон измерения и обусловливает большую погрешность измерения на начальном участке диапазона.

В расходомерах для возможности бесконтактного измерения скорости вращения турбинки ее лопасти либо изготавливаются из ферромагнитного материала, либо на крыльчатке устанавливаются отметчики из этого материала. Среди бесконтактных преобразователей (см. рис. 13,2, а поз. 5), преобразующих скорость вращения турбинки в электрический сигнал, наибольшее распространение получили магнитоиндукционные типы. Такой преобразователь (рис. 13.3, а) представляет собой катушку 1 с большим числом витков, внутрь которой вставлен магнит 2. Оси катушки и магнита располагаются перпендикулярно к оси немагнитной трубы 3. При прохождении ферромагнитной лопасти 4 турбинки (или отметчика) мимо магнита происходит изменение магнитного поля, что вызывает появление импульса ЭДС (меандра) в обмотке. Очевидно, что частота следования этих импульсов будет равна числу оборотов турбинки, умноженному на число лопастей. Частотно-импульсный сигнал по линиям связи поступает на вход измерительного блока, преобразующего этот сигнал в токовый, изменяющийся пропорционально расходу. Магнитоиндукционные преобразователи используются в расходомерах с турбинками больших диаметров» имеющих значительный крутящий момент. Это связано с тем что такие преобразователи создают большой тормозящий момент.

Расходомеры малых расходов (см. рис. 13.3, б) оснащаются дифференциально-трансформаторными преобразователями, тормозящий момент которых значительно меньше, чем у магнитоиндукционных. Дифференциально-трансформаторный преобразователь состоит из первичной обмотки U питаемой от генератора напряжением с частотой 3...6 кГц двух встречно включенных секций вторичной обмотки 2 и двух сердечников 3 и 4. При отсутствии лопасти турбинки под сердечником 4 ЭДС, наводимые в обеих секциях должны быть равными, при этом U _вых = 0. Если присутствует начальный небаланс, то он устраняется с помощью подвижного сердечника 3.

При прохождении лопасти турбинки под сердечником 4 нарушается равенство магнитных потоков в секциях вторичной обмотки (увеличивается поток в нижней обмотке и уменьшается в верхней), в силу чего на выходе вторичной обмотки появляется сигналU_вых. Этот сигнал имеет частоту питающего напряжения, модулированного по амплитуде частотой, равной частоте вращения турбинки, умноженной на число лопастей. Измерительный преобразователь, на вход которого поступает U_вых, выделяет частоту модуляции и преобразует ее в выходной токовый сигнал. Серийно выпускаются турбинные расходомеры для измерения расхода воды от 0,07 до 500 м³/ч в трубопроводах диаметром от 20 до 150 мм при температурах среды до 120 °С и давлении до 1 6 МПа с пределом основной относительной погрешности ±(2 5) %. Расходомеры газа выпускаются с верхними преде­лами от 100 до 1600 м³/ч при диаметрах 65...200 мм, температуре газа до 50 °С и давлении до 0,6 МПа. Достоинством турбинных расходомеров является возможность их использования в широком интервале расходов, диаметров трубопроводов и параметров контролируемой среды. У отдельных типов расходомеров при больших скоростях и диаметрах труб динамический диапазон измерения достигает 15...20. Такие расходомеры имеют малую инерционность.

 

Рис. 13.3. Схема электрических бесконтактных преобразователей турбинных расходомеров:

а — магнитоиндукциопного: 1 — катушка; 2 — магнит; 3 — немагнитная труба; 4 — ферромагнитные лопасти; б — дифференциально-трансформаторного; 1, 2 — первичная и вторичная обмотки;

3 — подвижный сердечник; 4 — сердечник

 

В настоящее время турбинные тахометрические расходомеры являются одними из наиболее точных. Существуют серийно выпускаемые расходомеры с основной погрешностью 0,5 %, которая может быть уменьшена индивидуальной градуировкой.

Однако тахометрические турбинные расходомеры имеют и недостатки, ограничивающие их применение: влияние вязкости контролируемой среды, износ опор (нельзя, например, измерять расход сред, содержащих взвешенные частицы, особенно если они обладают абразивными свойствами).

Шариковыми называются тахометрические расходомеры, подвижным элементом которых служит шарик, непрерывно движущийся в одной плоскости по внутренней поверхности трубы под воздействием предварительно закрученного потока. Скорость движения шарика по окружности трубы пропорциональна объемному расходу жидкости. Схема шарикового преобразователя для средних и больших расходов представлена на рис. 13.4, а. Поток жидкости, закрученный формирователем 1 в винтовом направлении, вызывает движение шарика 2 по окружности. От перемещения вдоль трубы шарик удерживается ограничительным кольцом 3, за которым располагается струевыпрямитель 4 для выпрямления закрученного потока. На внешней стороне немагнитного корпуса располагается тахометрический преобразователь 5 для преобразования частоты вращения шарика в частотный электрический сигнал.

 

Рис. 13.4. Схема шариковых преобразователей расхода:

а, б — для больших и малых расходов; 1 — формирователь потока; 2 — шарик; 3 — ограничительное кольцо;

4 — струевыпрямитель; 5 — тахометрический преобразователь

 

Для небольших расходов применяется конструкция, представленная на рис. 13.4, б. Здесь нет специального формирователя для закручивания потока, а движение шарика по окружности вызывается тангенциальным подводом жидкости. В шариковых расходомерах применяются тахометрические преобразователи скорости, аналогичные преобразователям турбинных расходомеров. Шар под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности трубы, а под действием осевой составляющей скорости потока — к ограничительному кольцу, т.е. шару, кроме сил вязкого трения жидкости, необходимо преодолевать силы трения о поверхности трубы и ограничительного кольца (см. рис. 13.4, а). Это вызывает отставание окружной скорости шара v_ш от окружной скорости потока V, которое оценивается коэффициентом скольжения откуда

 

 

Частота f импульсов тахометрического преобразователя связана со скоростью шара соотношением , где r — радиус вращения центра шара. Учитывая, что — коэффициент пропорциональности, можно получить Таким образом, для обеспечения однозначной зависимости между f и объемным расходом G₀ надо иметь постоянство S. Этот коэффициент меньше всего изменяется в области Re от 10³ до 10^s, поэтому шариковые расходомеры проектируются для работы в этом диапазоне. Кроме того, для уменьшения скольжения масса шарика делается по возможности малой

Выпускаемые промышленностью шариковые расходомеры, изображенные на рис. 13.4, используются для измерения расхода жидкостей от 0,025 до 600 м³/ч, при температуре до 285 °С и давлении до 10 МПа. Плотность среды должна находиться в пределах 700...1400 кг/м³ и кинематическая вязкость в пределах (0,3...12) 10^-6 м²/с. Из-за отсутствия опор у подвижного элемента расходомеры могут использоваться на жидкостях с твердыми включениями ограниченного размера и агрессивных. Диапазон измерения шариковых расходомеров обычно равен однако в диапазоне (0,2...0,3) G_в.п. они обладают повышенной погрешностью по сравнению с диапазоном . Относительная погрешность обычно равна ±1,5 % в интервале и ±2,5 % в интервале

 

На АЭС используются шариковые расходомеры ШТОРМ двух модификаций: ШТОРМ-32М (верхний предел измерения 50 м³/ч) и ШТОРМ-8А (верхний предел измерения 8 м³/ч), их основная погрешность составляет ±(1,5...2,5) %.

Камерными называются тахометрические расходомеры и счетчики, имеющие один или несколько подвижных элементов, которые при движении отмеривают определенные объемы жидкости. Обычно эти подвижные элементы движутся непрерывно со скоростью, пропорциональной объемному расходу. В промышленности в большинстве случаев для измерения расхода газа и нефтепродуктов применяются камерные счетчики. Достоинствами их является высокая точность измерения, составляющая ±(0,2... 1) % для жидкостей и ±(1...1,5) % для газов, достаточно большой диапазон измерения и слабое влияние вязкости среды. Последнее обстоятельство позволяет применять камерные счетчики для жидкостей вязкостью до 3·10^-4 м²/с.

Один из приборов камерного типа — счетчик жидкости с овальными шестернями. Такой счетчик предназначен для измерения количества жидкостей, имеющих вязкость от 55 10^-6 до 3 10^-4 м²/с (0,55...300 сСт), температуру от -40 до 120 °С и давление до 64 кгс/см² в трубах диаметром до 100 мм. Такой счетчик имеет основную погрешность ±0,5%. Схема преобразователя с овальными шестернями показана на рис. 13.5.

Рис. 13.5. Схема счетчика с овальными шестернями

 

В положении шестерен по рис. 13.5, а под действием разности давлений р ₁— р ₂ возникает момент, вращающий левую шестерню против часовой стрелки. При этом правая шестерня будет ведомой и за счет зубчатого сцепления будет поворачиваться по часовой стрелке. Через половину оборота шестерни установятся в положение рис. 13.5, б. Тогда вращающий момент будет создаваться на правой шестерне, левая становится ведомой. За полный оборот измерительные камеры (на рис. 13.5 заштрихованы) дважды наполняются и опорожняются, т.е. за один оборот объем пропускаемой жидкости равен четырем объемам одной измерительной камеры. На счетный механизм передается движение одной из шестерен посредством магнитной муфты или тахометрического дифференциально-трансформаторного преобразователя скорости. Изменение вязкости жидкости может увеличить погрешность счетчика.

Электромагнитные расходомеры. Принцип действия электромагнитных расходомеров основанна законе электромагнитной индукции, в соответствий с которымв электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Серийные электромагнитные расходомеры предназначены для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10^-3См/м (соответствует электропроводности водопроводной воды). Имеются специальные расходомеры, позволяющие измерять расход жидкостей с электропроводностью до 10^-5 См/м. В настоящее время электромагнитные расходомеры это самые распространенные приборы для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром менее 250 мм. Что объясняется их следующими положительными чертами:

• динамический диапазон достигает 100 и более;

• показания не зависят от вязкости и плотности среды;

• преобразователи расхода являются безынерционными;

• они не имеют частей, выступающих внутрь трубы, и, образом, не создают потери давления;

• влияние местных сопротивлений значительно меньше, у других расходомеров, поэтому требуемая длина прямых участков для них минимальная;

• электромагнитные расходомеры применяются на трубопроводах диаметром от 2 до 4000 мм;

• электромагнитные расходомеры могут быть использованы в ряде случаев, когда применение расходомеров других затруднено или невозможно вовсе: при измерении расхода агрессивныхных, абразивных и вязких жидкостей, пульп, жидких металлов

К числу недостатков электромагнитных расходомеров следует отнести требования к минимальному значению электропроводность измеряемой среды, что сужает круг использования таких расходмеров. Другой недостаток расходомеров — низкий уровень информативного сигнала (мкВ) и необходимость тщательной зашиты преобразователя и линий связи от внешних помех.

Принципиальная схема первичного преобразователя электромагнитного расходомера показана на рис. 13.6, а. Рабочий участок трубы преобразователя 1, изготовленный из немагнитного материала и покрытый изнутри электрической изоляцией 2 (резиной, эмалью, фторопластом и т.п.), расположен между полюсами электромагнита. Через стенку трубы изолированно от нее по диаметру введены электроды 3, находящиеся в электрическом контакте с жидкостью. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через ось трубы и линию электродов.

В соответствии с законом электромагнитной индукции при осе-симметричном профиле скоростей в жидкости между электродами будет наводиться ЭДС

Е = ВDu

где В — индукция магнитного поля;

и — средняя скорость жидкости;

D — длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы. Учитывая, что , получаем:

 

где G₀ — объемный расход.

Отсюда следует, что Е прямо пропорциональна объемному расходу. Измерение наведенной ЭДС осуществляется измерительным

прибором ИП, к которому предъявляются жесткие требования по значению его входного сопротивления Для обеспечения малого влияния внутреннего сопротивления электромагнитного преобразователя необходимо выполнение соотношения

(13.3)

Внутреннее сопротивление преобразователя растет с уменьшением электропроводности жидкости и увеличением D, что вызывает необходимость увеличения , однако этому препятствует емкостное сопротивление соединительных проводов, включенное параллельно. . Поэтому необходимость выполнения условия (13.3) накладывает ограничения на минимальную электропроводность измеряемой жидкости.

 

 

Рис. 13.6. Схема преобразователей электромагнитных расходомеров:

а — с внешним магнитом: 1 — преобразователь; 2 — электрическая изоляция; 3 — электроды;

б — с внутренним магнитом; 1 — обтекаемый корпус; 2 — магнит; 3 — электроды; 4 — кабель

 

Применение постоянных электромагнитов в расходомерах позволяет облегчить борьбу с помехами от внешних электромагнитных полей, увеличить быстродействие прибора. Основным недостатком их использования является поляризация электродов: концентрация у положительного электрода отрицательных ионов, а у отрицательного положительных. Вследствие этого на поверхности электродов создаются потенциалы, образующие ЭДС поляризации, направленную против основной измеряемой ЭДС, что изменяет градуировочную характеристику прибора и делает невозможной его стабильную работу. Поэтому электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем не применяются для жидкостей с ионной проводимостью. Широкое распространение они получили для измерения расхода сред с электронной проводимостью, например расплавленных металлов, в которых отсутствует явление поляризации.

В качестве примера на рис. 13.6, б представлена схема электромагнитного преобразователя скорости с цилиндрическим магнитом. Основными элементами преобразователя являются обтекаемый корпус 1, магнит 2 в форме цилиндра и электроды 3. В простейшем случае электроды привариваются к внутренней поверхности корпуса в диаметрально противоположных точках и выводятся из корпуса с помощью кабеля 4. При обтекании преобразователя жидким металлом между электродами появляется разность потенциалов, пропорциональная скорости металла.

Для измерения расхода сред с ионной проводимостью применя­ются расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом (рис. 13.7).

 

Рис. 13.7. Схема расходомера с переменным магнитным полем

 

При синусоидально изменяющейся магнитной индукции, имеющей амплитудное значение В _ми частоту f, выражение для ЭДС имеет вид

При достаточно высокой частоте f поляризация электродов практически отсутствует, однако использование переменного магнитного поля имеет свои недостатки. Наиболее серьезным из них является появление паразитной трансформаторной ЭДС Е_т. Эта ЭДС наводится рабочим магнитным полем

В = в контуре (см. рис. 13.6, а) провод А — электрод — жидкость — электрод — провод Б — вход измерительного прибора ИП. В соответствии с законом электромагнитной индукции

 

(13.5)

 

где S — площадь проекции контура, пронизываемого магнитным полем, на плоскость, проходящую через ось трубы и линию электродов.

Сравнением (13.4) и (13.5) легко установить, что Е и Е_т сдвинуты по фазе на 90°, кроме того, Е_т от расхода не зависит и существует даже при G₀ = 0. Обе эти особенности используются для уменьшения влияния Е_т на показания прибора. Значение Е_т можно уменьшить, располагая провода A и Б (см. рис. 13.6, а) в одной плоскости, параллельной силовым линиям магнитного поля. Обычно для ослабления влияния Е_т используется схема, представленная на рис. 13.7. В этой схеме от одного из электродов отходят два провода, симметрично охватывающих трубопровод с обеих сторон и замыкающихся на резистор R. Измерительный прибор подключается к движку этого резистора и второму электроду. При нулевом расходе перемещением движка резистора необходимо добиться минимального сигнала на входе измерительного прибора.

Оба описанных приема не устраняют трансформаторную ЭДС полностью. В современных расходомерах для ее полного устранения используется сдвиг по фазе на 90° между Е и Е_т. В этом случае измерительная схема содержит два канала, один из которых предназначен для измерения полезного сигнала, второй—для компенсации трансформаторной ЭДС. С помощью фазочувствительных детекторов по первому каналу пропускается только информативный сигнал, который затем измеряется показывающим или регистрирующим прибором. По второму каналу проходит только сигнал, пропорциональный Е_т, который затем по цепи отрицательной обратной связи поступает на вход схемы и компенсирует трансформаторную ЭДС.

Большинство перечисленных преобразователей расхода имеют внешнее магнитное поле. Они выпускаются на диаметры условного прохода 2,5; 5; 10; 15; 25; 32; 40; 50; 80; 100; 150; 200; 300 мм для жидкостей с температурой от —40 до 180 °С и давлением до 4 МПа. Расходомеры работают в диапазоне скоростей потока 0,1... 10 м/с, некоторые из расходомеров являются двунаправленными, т.е. могут измерять расход реверсных потоков. Предел основной относительной погрешности общепромышленных преобразователей лежит в диапазоне ±(0,5...1) %.

Для питания электромагнитов преобразователей испо