Електромагнитни разходомери
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7, 2008
Покриват измервателния диапазон от 1l/h до 100 000 m3/h
Oсвен електромагнитни, ги наричаме още магнито-индуктивни и дори само магнитни или индуктивни. В статията, която ви предлагаме, за яснота сме приели наименованието електромагнитен разходомер (ЕМР). Приборите за разход, работещи на базата на електромагнитния принцип за измерване, днес са сред най-масово използваните. Много от компаниите-производители ги поставят на челно място в отчетите си за брой продадени устройства, измерващи разхода на флуиди в индустрията. Инженерите с по-дълъг професионален опит сред нас знаят, че до преди 20 - 30 години внедряването на електромагнитен разходомер е било скъпоструваща "екзотика".
На какво се дължи широкото приложение на ЕМР? Причините не са една и две. Електромагнитните разходомери са прибори с висока точност и надеждност. Запазват характеристиките си дълго време, могат да бъдат устойчиви на агресивни или абразивни среди. Нямат подвижни механични елементи и притежават опростена конструкция. Монтажът им е унифициран и не се нуждаят от сложна поддръжка. В момента не съществува друг тип разходомер, намиращ се в серийно производство, който да има толкова широки граници на използваните размери. В огромното многообразие на предлагани устройства е възможно да открием ЕМР от Ж3 mm до Ж3000 mm (с тях се измерват дебити приблизително от 1l/h до 100 000m3/h).
Любопитен е фактът, че електромагнитният метод, за измерване на разхода на течности, е намерил приложение и в много други сфери, освен промишлените производства. Например в медицината - за измерване разхода на кръв през кръвоносен съд и дори в океанологията за измерване на морски течения.
Устройство и принцип на работа на ЕМР
Електромагнитният разходомер се състои от тръба с електрически изолирана вътрешна повърхност, магнитни бобини и електроди. Те са разположени диаметрално противоположно на тръбата и са в контакт с процесната течност, протичаща през разходомера (фиг. 1).
Съществува и конструкция ЕМР от типа сонда, която се монтира в основния тръбопровод. Те използват същия принцип, а някои от спецификите им ще разгледаме по-долу. На фиг. 1 е описана най-масово използваната конструкция на ЕМР, която е обект на непрекъснати усъвършенствания и подобрения, продължаващи и до днес. Съществуват и множество патентовани конструкции ЕМР с различен брой и разположение на бобините и електродите.
Бобините на разходомера, вследствие протичането на ток с големина I, генерират магнитно поле с индукция B, перпендикулярна на надлъжната ос на тръбопровода. Магнитното поле прониква през измервателната тръба и протичащата през нея процесна течност, към която е поставено условието да е електрически проводима. В съответствие със закона за електромагнитната индукция, се индуцира напрежение Ue, което е право пропорционално на скоростта v на измерваната течност и на вътрешния диаметър на тръбата D (тъй като D=L, а именно разстоянието между диаметрално разположените електроди). В опростен вид е валидна следната зависимост:
Ue = kBDv,
където k е константа, отразяваща конструктивните специфики на разходомера. Напрежението Ue се снема чрез електродите, които са в контакт с течността и са изолирани от стената на измервателната тръба.
Тъй като обемът Q на потока е равен на: Q = vpD2/4 , то сигналното напрежение би могло да бъде преобразувано в обемен разход съгласно зависимостта: Q = Ue(pD/4kB).
След това, електронният блок на разходомера преобразува стойността на разхода Q в унифициран сигнал или в параметър на комуникационен протокол.
От изложените до тук зависимости става ясно, че принципът на работа на ЕМР се базира изцяло на закона на Фарадей за електромагнитната индукция, дефиниран от английския учен през 1832 г. Според този закон, електродвижещото напрежение Ue, индуцирано в едно електрически проводимо тяло при преминаването му през магнитно поле, се изразява чрез формулата:
Ue = (v x B)L ,
където: Ue е индуцираното напрежение (вектор); B е магнитната индукция (вектор); L е дължината на проводника, движещ се през магнитното поле, а v е неговата скорост (вектор).
Създаване на теорията за ЕМР
Още през 1832 г. Фарадей (макар и неуспешно) се опитвал да определи скоростта на потока в река Темза, като измервал индуцираното в течащата вода напрежение от земното магнитно поле. Но, основополагащи за създаването на съвременния ЕМР стават трудовете на немския учен Тюрлеман (Thuerlemann) през 1941 год. и на английския физик Шерклиф (Shercliff) през 50-те години на миналия век.
Теоретичният модел се базира на безкрайно дълго, хомогенно магнитно поле и точкови електроди, които са установени, така, че измерваното напрежение да е независимо от профила на потока течност. В измервателната тръба профилът на потока е радиално симетричен. Съгласно тези допускания е в сила зависимостта Ue = kBDv.
Шерклиф установява, че участието на ограничените елементи от потока в измервателната тръба във формирането на общото сигнално напрежение Ue зависи от местоположението им в измервателната тръба. Ученият въвежда и термина „валентен вектор” и, използвайки фундаменталните уравнения на Максуел, доказва, че за сигналното напрежение Ue, приложено върху електродите от модела, важи следната зависимост:
Ue = т(WxB)vdxdydz
Тя представлява обемен интеграл, описващ областта на измервателната тръба, през която прониква магнитното поле. С B и v са означени съответно магнитната индукция и скоростта на потока, а с x, y и z координатите на областта. В горната зависимост е въведена тегловната функция W (векторна), която определя участието на ограничените елементи на потока за създаване на сигналното напрежение в зависимост от тяхното местоположение. На фиг. 2 са дадени компонентите на тегловната функция по оста на електродите в разрез.
От фиг.2 се вижда, че е налице ясно опознаваема висока чувствителност в непосредствена близост до електродите на разходомера. Това е резултат от специфичните допускания в теоретичния модел, направени по-горе.
Изведената от Шерклиф зависимост, представена по-горе, представлява обобщен модел за принципа на действие на електромагнитните разходомери. Тя се е превърнала в отправна точка на много изследвания и разработки. Основното достойнство на разработената от Шерклиф теория е, че създава база, върху която след това е развита инженерната практика на ЕМР, довела в последствие до бурното им навлизане в индустрията.
Специфики на ЕМР
От изложените до момента теоретични принципи на електромагнитния метод за измерване на разход могат да се направят някои изводи за характеристиките на приборите. На първо място, от интегралния израз е видно, че зависимостта между разхода и сигналното напрежение е линейна. Това е съществено предимство на електромагнитните разходомери спрямо уредите с променлив пад на налягане (ППН), при които тази зависимост е квадратична. Освен това, конструкцията на ЕМР (фиг. 1) определя отсъствието на загуби на налягане, което при разходомерите с ППН е неизбежен компромис.
Също така, ЕМР са устойчиви на течности с агресивен или абразивен характер – нещо, което е проблем, както за ППН, така и за вихровите разходомери. Електромагнитните разходомери са много удачно решение при измерване на замърсени води, както и на води с голямо съдържание на твърди частици.
Допълнително преимущество на конструкцията на ЕМР е, че е максимално опростена и позволява изработването както на малки, така и на много големи измервателни устройства. За някои типове разходомери, например кориолисовите, именно сложната конструкция е пречка те да бъдат изработвани с по-големи диаметри. Липсата на движещи се части в конструкцията дава на ЕМР съществено предимство спрямо турбинковите разходомери по отношение на надеждността и продължителната им експлоатация. Също така, при електромагнитния разходомер отсъстват нежелани явления като износване, умора на материалите и пр.
Развитието на електрониката през последните години създаде условия за производството на ЕМР с висока точност и стабилност, което е съществено предимство на ЕМР спрямо ултразвуковите разходомери.
Кога се използва ЕМР?
Когато се избира принципът на работа на едно разходомерно устройство за конкретно приложение, обикновено следва да се отговори на следните въпроси:
l Обемен разход ли ще бъде измерван?
l Електропроводима течност ли е измерваният флуид?
l Течността има ли агресивен или абразивен характер?
l Има ли изискване за висока точност на измерване?
Ако отговорите на всички въпроси са "да", тогава в голяма част от случаите най-подходящият избор е електромагнитен разходомер.
Характеристики на ЕМР
Относно изискването на проводимост на процесната течност, е редно да се отбележи, че днес повечето производители са свели това изискване до 5 mS/cm минимална проводимост (с известно завишение при измерване разхода на дестилирана вода). Съществуват и модели, които работят с минимална проводимост от 0,05 mS/cm, но при спазване на някои допълнителни условия.
Електромагнитните разходомери измерват течности с максимална скорост до 10 m/s или 12 m/s за повечето модели. Долната част на измервателния обхват би могла да започне от 0 m/s, но при по-висока грешка по отношение на малките скорости. На фиг. 3 е показана зависимостта на грешката от скоростта на течността.
От графиката се вижда, че максималната грешка е едва 0,4% за скорост 0,5 m/s. Друга ценна характеристика на ЕМР е широкият измервателен обхват. Грешката е под 1% при съотношение минимална към максимална измервана стойност 1:100. В практиката обикновено се прилага елиминиране на измерването за малки дебити (става въпрос за т.нар. функция low flow cutoff), при което се премахва натрупването в интегратора по време на престой поради движение на течността, предизвикано от топлинни разширения/свивания.
Както вече бе подчертано, ЕМР са сред най-точните разходомери. Различните продукти, предлагани на пазара, са с грешка под 0,5% за скорости над 1 m/s, което е напълно удовлетворяващо почти всички приложения в индустриалните производства. Фиг. 3 показва, че границата на грешката се запазва постоянна, което е много полезна метрологична характеристика.
Електромагнитните разходомери позволяват измерване и в двете посоки на потока в тръбопровода, при това без промяна в точността. Тази характеристика е много важна за някои специфични случаи, а също така и облекчава монтажа им.
ЕМР са във висока степен независими от промени във вискозитета и плътността на процесната течност. Когато потокът се преобразува от турбулентен в ламинарен, (или обратно), е възможно да се получат много малки промени в точността на измерване.
При електромагнитните разходомери профилът на потока влияе слабо върху точността на измерване. По тази причина изискванията за прави участъци на тръбопровода не са големи. Обикновено са пет пъти D преди и два пъти D след разходомера, където D е вътрешният диаметър на уреда.
Много важно свойство на електромагнитните разходомери е способността им да измерват и пулсиращи потоци. Това, разбира се, важи при определени условия, които трябва внимателно да се обсъдят с доставчиците на подобни прибори.
Допустими работни условия за ЕМР
Известно е, че всеки електромагнитен разходомер би следвало да бъде коректно избран в съответствие с условията на работа. По отношение на максималното работно налягане електромагнитните разходомери позволяват работа в много широки граници. Съществуват специализирани версии на прибори за работна среда с налягане 150 barG. Следва да се има предвид, че за допустимото максимално налягане повечето производители залагат на модели с PN6, PN10 и PN16 (б.ред. предлагат се за размери до и над DN2000), PN25 (обикновено до DN1000) и PN40 (до DN200).
Допустимите граници на изменение на температурата на измерваната течност са от -20 °C до +80 °C (някои производители предлагат модели с работен диапазон от 180 °C до 250 °C), а на околната среда от -20 °C до +60 °C.
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 6/2024
