Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внешнего магнитного поля.
Принципиальная схема электромагнитного расходомера приведена на рис. 1. Корпус 1 с цилиндрической вставкой из немагнитного материала (фторопласта, эбонита и др.), с перемещающейся в нем жидкостью, расположен между полюсами 2 и 3 магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. В стенки трубопровода диаметрально противоположно (заподлицо с внутренней поверхностью трубы) заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам электромагнитного расходомера, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор 4, шкала которого отградуирована в единицах расхода.
Величина ЭДС в случае постоянного магнитного поля определяется основным уравнением электромагнитной индукции
E=B*d*vср,
где В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d – внутренний диаметр трубопровода (длина проводника); vср – средняя скорость потока жидкости.
Выразив скорость через объемный расход Q, получим (для трубопровода круглого сечения):
E=4*Q*B/(π*d)
Из этой формулы следует, что при однородном магнитном поле ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу.
Электромагнитные расходомеры применяют лишь для жидкостей с электрической проводимостью не ниже 10-3 - 10-5 см/м.
Основные недостатки электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем:
возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации затрудняют или делают невозможным правильное измерение ЭДС, индуктируемой магнитным полем в движущейся жидкости
трудность усиления напряжения постоянного тока. В связи с этим расходомеры с постоянным магнитным полем применяют лишь при измерении расхода жидких металлов, пульсирующих потоков жидкости и при кратковременных измерениях, когда поляризация не успевает оказать заметного влияния.
Рис. 1. Принципиальная схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитом
При переменном магнитном поле электрохимические процессы оказывают меньшее влияние, чем при постоянном, поэтому в настоящее время в электромагнитных расходомерах применяют переменное магнитное поле. Если магнитное поле изменяется во времени с частотой , то ЭДС для трубопроводов круглого сечения
E=Bmax*d*vср*sinωt
Подставив значение скорости потока из уравнения объёмного расхода, получим:
E=(4Q/πd)*Bmax*sinωt
где Bmax=B/sinωt– амплитудное значение магнитной индукции, ω=2πf – круговая частота; t – время.
В современных электромагнитных расходомерах (ЭМР) для усиления сигнала, снимаемого с преобразователя, используют электронный усилитель с большим входным сопротивлением. При этом условии в большинстве случаев изменение сопротивления преобразователя при изменении параметров контролируемой среды не сказывается на показаниях. Это важное преимущество электромагнитных расходомеров.
В расходомерах с переменным магнитным полем возникают помехи, как в преобразователе, так и вне него (рис. 2).
В основном на погрешность измерения влияют помехи:
паразитные (от внешних цепей)
емкостные (от переменного тока, питающего электромагнит)
индукционные (трансформаторные, от магнитного поля преобразователя). Первые две помехи удается устранить экранированием прибора.
Рис. 2. Принципиальная схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем
В преобразователе электромагнитного расходомера (ЭМР) столб жидкости между электродами и выводы электродов, замкнутые через измерительный прибор, образуют контур, в котором, как в обмотке трансформатора, переменное магнитное поле наводит трансформаторную ЭДС, не зависящую от скорости движения жидкости (расхода). Эта ЭДС равна:
ET=S2*π*f*Bmax*cos(2πft),
где S – площадь контура, перпендикулярного магнитному полю.
Из этого выражения видно, что трансформаторная ЭДС пропорциональна частоте тока и сдвинута по фазе относительно полезного сигнала на угол 90°. При снижении частоты до 10 Гц трансформаторную ЭДС удается свести к минимуму. Однако снижение частоты значительно усложняет прибор. Получили распространение электромагнитные расходомеры (ЭМР), работающие на промышленной частоте (50 Гц).
Для исключения трансформаторной ЭДС используют различные способы.
Один из способов (рис. 3, а) заключается в применении двух индукционных преобразователей (с самостоятельными магнитами), включенных таким образом, что магнитные поля в них направлены в противоположные стороны. Дополнительные ЭДС взаимоиндукции при этом (как равные по величине и по фазе, но противоположные по направлению) взаимно уничтожаются в первичной обмотке выходного трансформатора.
На рис. 3, б показан способ компенсации трансформаторной ЭДС с использованием фазовращателя и делителя напряжения. Изменяя сопротивление резистора , включенного в одно из плеч фазовращателя, добиваются совпадения фаз трансформаторной ЭДС и напряжения, подаваемого на делитель RД.
С делителя снимается напряжение, равное по величине и фазе, на противоположное по направлению трансформаторной ЭДС.
Комплект общепромышленного электромагнитного расходомера ЭМР состоит из преобразователя расхода и измерительного блока. Конструктивно преобразователь включает два узла – трубу и электромагнит. Преобразователь содержит также контур для уменьшения трансформаторной ЭДС.
Усиление и унифицирование электрических сигналов, поступающих с преобразователя расходомера, осуществляется в измерительном блоке. Наличие унифицированного электрического выходного сигнала позволяет применять различные вторичные приборы контроля.
Электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ. Прежде всего, они практически безынерционны, что очень важно при измерении быстро меняющихся расходов и при использовании в системах автоматического регулирования. На результат измерения не влияет наличие взвешенных частиц в жидкости и пузырьков газа. Показания расходомера не зависят от свойств контролируемой жидкости (вязкость, плотность) и характера потока (ламинарный, турбулентный)
Рис. 3. Схемы компенсации трансформаторной ЭДС:
а – с двумя индукционными преобразователями; б – с фазовращателем и делителем напряжения.
При соответствующем подборе материала при применении антикоррозионных и других покрытий электромагнитные расходомеры можно применять для измерения расхода агрессивных жидкостей, а также жидкостей и паст с абразивными свойствами. Вследствие линейной зависимости возникающей ЭДС от расхода шкала вторичного прибора линейная.
Принципиальная схема электромагнитного расходомера приведена на рис. 1. Корпус 1 с цилиндрической вставкой из немагнитного материала (фторопласта, эбонита и др.), с перемещающейся в нем жидкостью, расположен между полюсами 2 и 3 магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. В стенки трубопровода диаметрально противоположно (заподлицо с внутренней поверхностью трубы) заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам электромагнитного расходомера, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор 4, шкала которого отградуирована в единицах расхода.
Величина ЭДС в случае постоянного магнитного поля определяется основным уравнением электромагнитной индукции
E=B*d*vср,
где В – магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d – внутренний диаметр трубопровода (длина проводника); vср – средняя скорость потока жидкости.
Выразив скорость через объемный расход Q, получим (для трубопровода круглого сечения):
E=4*Q*B/(π*d)
Из этой формулы следует, что при однородном магнитном поле ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу.
Электромагнитные расходомеры применяют лишь для жидкостей с электрической проводимостью не ниже 10-3 - 10-5 см/м.
Основные недостатки электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем:
возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации затрудняют или делают невозможным правильное измерение ЭДС, индуктируемой магнитным полем в движущейся жидкости
трудность усиления напряжения постоянного тока. В связи с этим расходомеры с постоянным магнитным полем применяют лишь при измерении расхода жидких металлов, пульсирующих потоков жидкости и при кратковременных измерениях, когда поляризация не успевает оказать заметного влияния.
Рис. 1. Принципиальная схема электромагнитного расходомера с постоянным магнитом
При переменном магнитном поле электрохимические процессы оказывают меньшее влияние, чем при постоянном, поэтому в настоящее время в электромагнитных расходомерах применяют переменное магнитное поле. Если магнитное поле изменяется во времени с частотой , то ЭДС для трубопроводов круглого сечения
E=Bmax*d*vср*sinωt
Подставив значение скорости потока из уравнения объёмного расхода, получим:
E=(4Q/πd)*Bmax*sinωt
где Bmax=B/sinωt– амплитудное значение магнитной индукции, ω=2πf – круговая частота; t – время.
В современных электромагнитных расходомерах (ЭМР) для усиления сигнала, снимаемого с преобразователя, используют электронный усилитель с большим входным сопротивлением. При этом условии в большинстве случаев изменение сопротивления преобразователя при изменении параметров контролируемой среды не сказывается на показаниях. Это важное преимущество электромагнитных расходомеров.
В расходомерах с переменным магнитным полем возникают помехи, как в преобразователе, так и вне него (рис. 2).
В основном на погрешность измерения влияют помехи:
паразитные (от внешних цепей)
емкостные (от переменного тока, питающего электромагнит)
индукционные (трансформаторные, от магнитного поля преобразователя). Первые две помехи удается устранить экранированием прибора.
Рис. 2. Принципиальная схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем
В преобразователе электромагнитного расходомера (ЭМР) столб жидкости между электродами и выводы электродов, замкнутые через измерительный прибор, образуют контур, в котором, как в обмотке трансформатора, переменное магнитное поле наводит трансформаторную ЭДС, не зависящую от скорости движения жидкости (расхода). Эта ЭДС равна:
ET=S2*π*f*Bmax*cos(2πft),
где S – площадь контура, перпендикулярного магнитному полю.
Из этого выражения видно, что трансформаторная ЭДС пропорциональна частоте тока и сдвинута по фазе относительно полезного сигнала на угол 90°. При снижении частоты до 10 Гц трансформаторную ЭДС удается свести к минимуму. Однако снижение частоты значительно усложняет прибор. Получили распространение электромагнитные расходомеры (ЭМР), работающие на промышленной частоте (50 Гц).
Для исключения трансформаторной ЭДС используют различные способы.
Один из способов (рис. 3, а) заключается в применении двух индукционных преобразователей (с самостоятельными магнитами), включенных таким образом, что магнитные поля в них направлены в противоположные стороны. Дополнительные ЭДС взаимоиндукции при этом (как равные по величине и по фазе, но противоположные по направлению) взаимно уничтожаются в первичной обмотке выходного трансформатора.
На рис. 3, б показан способ компенсации трансформаторной ЭДС с использованием фазовращателя и делителя напряжения. Изменяя сопротивление резистора , включенного в одно из плеч фазовращателя, добиваются совпадения фаз трансформаторной ЭДС и напряжения, подаваемого на делитель RД.
С делителя снимается напряжение, равное по величине и фазе, на противоположное по направлению трансформаторной ЭДС.
Комплект общепромышленного электромагнитного расходомера ЭМР состоит из преобразователя расхода и измерительного блока. Конструктивно преобразователь включает два узла – трубу и электромагнит. Преобразователь содержит также контур для уменьшения трансформаторной ЭДС.
Усиление и унифицирование электрических сигналов, поступающих с преобразователя расходомера, осуществляется в измерительном блоке. Наличие унифицированного электрического выходного сигнала позволяет применять различные вторичные приборы контроля.
Электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ. Прежде всего, они практически безынерционны, что очень важно при измерении быстро меняющихся расходов и при использовании в системах автоматического регулирования. На результат измерения не влияет наличие взвешенных частиц в жидкости и пузырьков газа. Показания расходомера не зависят от свойств контролируемой жидкости (вязкость, плотность) и характера потока (ламинарный, турбулентный)
Рис. 3. Схемы компенсации трансформаторной ЭДС:
а – с двумя индукционными преобразователями; б – с фазовращателем и делителем напряжения.
При соответствующем подборе материала при применении антикоррозионных и других покрытий электромагнитные расходомеры можно применять для измерения расхода агрессивных жидкостей, а также жидкостей и паст с абразивными свойствами. Вследствие линейной зависимости возникающей ЭДС от расхода шкала вторичного прибора линейная.
