Расходомеры индукционные

Эти устройства являются приборами общепромышленного назначения. В настоящее время с их применением решаются вопросы автоматизации процессов нормализации жидких пищевых продуктов в потоке, а также учета их количества (молоко, кефир, сгусток, мясной фарш и др.).

Эти приборы используются при синтезе так называемых информационно-вычислительных систем контроля технологических параметров. В комплекте с микропроцессором они обеспечивают автоматическое управление отдельными технологическими процессами.

Принцип работы расходомера основан на измерении ЭДС, индуцируемой в потоке электропроводящей жидкостью под воздействием внешнего магнитного поля. Величина ЭДС пропорциональна средней скорости потока .

Трубопровод из немагнитного материала с перемещающейся в нем жидкостью размещается между полюсами магнита перпендикулярно направлению основных линий поля.

В стенках трубопровода вмонтированы диаметрально расположенные электроды, с которых снимается ЭДС, образующаяся в проводящей жидкости, пересекающей магнитное поле. Электрическое поле в канале расходомера описывается уравнением Пуассона:

,

где – потенциал электрического поля;

– вектор скорости потока;

– вектор индукции магнитного поля.

Используя уравнение Пуассона, получаем выражение для разности потенциалов между точками на внутренней поверхности канала, расположенными по линии, перпендикулярной магнитному полю и направлению потока жидкости:

,

где – диаметр трубопровода;

– объемный расход вещества;

– индукция магнитного поля.

Если измерительное устройство имеет высокоомное входное сопротивление (10–20 МОм), то напряжение, измеряемое на электродах, не зависит от физических свойств движущейся жидкости в широком диапазоне ее электропроводности и определяется только скоростью потока, индукцией электромагнитного поля и расстоянием между электродами.

При применении переменного электромагнитного поля практически устраняется влияние поляризации электродов на выходной сигнал.

Если магнитное поле создается электромагнитом, питаемым синусоидальным током частоты , то

.

В этом случае кроме полезной составляющей

возникает также ЭДС помехи, имеющей трансформаторную (квадратурную) и емкостную (синфазную) составляющие. Трансформаторная ЭДС смещена на 90° относительно полезного сигнала.

Квадратурная составляющая помехи наводится в витке, образованном столбом жидкости между электродами и выводами электродов, замкнутыми через измерительный прибор;

,

где – площадь контура, перпендикулярного магнитному полю.

Квадратурную погрешность предварительно устраняют с помощью компенсационного витка. Сигнал находится в фазе или противофазе с полезным сигналом и подавляется в измерительном устройстве.

Трансформаторную ЭДС можно также скомпенсировать с использованием фазовращателя и делителя напряжения. Изменяя добиваются совпадения фазы трансформаторной ЭДС и напряжения, подаваемого на делитель. С делителя снимается напряжение, равное по величине и фазе, но противоположное по направлению трансформаторной ЭДС.

Для уменьшения емкостной составляющей помехи выполняется электростатическое экранирование.

В настоящее время выпускаются измерительные устройства со статической схемой измерения и глубокой обратной связью.

При этом основным элементом в цепи обратной связи является модулятор, преобразующий выходной унифицированный сигнал тока в сигнал обратной связи переменного тока, направленный в противофазе.

Рис. 4.5.1

Сигнал с первичного преобразователя (рис. 4.5.1) поступает на вход высокоомного трансформаторного преобразователя 1. На выходе усилителя 2 сигнал с первичного преобразователя суммируется с компенсационным – с выхода модулятора (в противофазе). Разностный сигнал с помощью фазочувствительного демодулятора 3 выпрямляется детектором 4 и подается на усилитель постоянного тока 5, с выхода которого снимается унифицированный выходной сигнал, пропорциональный измеренному расходу. Этот же сигнал управляет модулятором обратной связи 8.

Модулятор представляет дроссель, питаемый переменным током преобразователя расхода, в воздушном зазоре которого расположен преобразователь Холла 7.

Эффект Холла (1881 г.) заключается в следующем: при протекании тока вдоль проводящей пластинки, помещенной перпендикулярно к линиям внешнего магнитного поля, между краями пластинки возникает разность потенциалов, пропорциональная произведению силы тока на напряженность магнитного поля (и обратно пропорциональная толщине пластины) (рис. 4.5.2).

;

,

где – толщина пластины.

Постоянный ток, пропорциональный выходному сигналу, подводится к токовым контактам элемента Холла. На потенциальных клеммах вызывается модулированное напряжение, пропорциональное силе тока, амплитуда которого пропорциональна произведению выходного сигнала и тока питания первичного преобразователя.

Выходное напряжение модулятора используется как компенсационное.

В расходомерах более позднего выпуска имеются два канала обратной связи. Один из них – измерительный – обеспечивает автоматическую компенсацию полезного сигнала, а другой – квадратурную составляющую помехи. В каждом канале обратной связи применены модуляторы на преобразователях Холла. Таким образом, расходомер представляет собой двухкоординатный автокомпенсатор переменного напряжения, преобразующий полезную составляющую входного сигнала в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 0¸ 5 или 4–20 мА.

Наличие унифицированного электрического выходного сигнала позволяет применять вторичные приборы, а также любые блоки системы ГСП.

Измерительное устройство представляет собой автокомпенсатор переменного тока. Компенсация по напряжению осуществляется с помощью преобразователя Холла, находящегося в цепи обратной связи.

Сигнал подается через компенсационный и входной трансформаторы на вход балластного делителя. Через компенсационный трансформатор вводится компенсирующее напряжение. Разностный сигнал поступает на демодуляторы. На первый подводится опорное напряжение, синфазное индукции магнитного поля преобразователя расхода, а на второй – сдвинутое на . Таким образом, на выходе первого демодулятора напряжение пропорционально синфазной компоненте сигнала, а на выходе второго – квадратурной компоненте сигнала. Ток, пропорциональный синфазной составляющей, – мера расхода. Ток с выхода усилителя формирует квадратурную составляющую компенсационного сигнала. Преобразование постоянных сигналов в переменные производится с помощью двух модуляторов; каждый модулятор представляет собой дроссель, в воздушном зазоре которого размещен преобразователь Холла. Потенциометрические контакты обоих преобразователей соединены последовательно с первичной обмоткой компенсационного трансформатора. Обмотка дросселя модулятора синфазного канала отрицательной обратной связи питается переменным током преобразователя расхода, обмотка дросселя модулятора квадратурного сигнала отрицательной обратной связи – постоянным током с выхода усилителя.

Современные расходомеры имеют, в отличие от выпускавшихся ранее, неравномерное электромагнитное поле.

Существенное преимущество расходомеров с неоднородным электромагнитным полем – небольшие габариты. В расходомерах с неоднородным полем функция его распределения обратно пропорциональна так называемой «весовой» функции. Это позволяет обеспечить измерение потоков с несимметричным профилем.

В расходомере с неоднородным магнитным полем трубопровод представляет собой сварную конструкцию из ферромагнитной стали и служит одновременно магнитопроводом и корпусом прибора.

Катушки возбуждения магнитного поля заливаются компаундом. Такой расходомер устанавливается на штанге в центре трубопровода большего диаметра и служит вариантом трубки Пито.

Отечественные расходомеры, применение которых возможно в пищевой промышленности, имеют внутреннее покрытие из фторопласта.

Для контроля сред, имеющих взвешенные частицы, применяют расходомеры, в которых измерительные электроды выступают в поток. Это позволяет обеспечить их непрерывную чистку.

В этих целях в ряде зарубежных расходомеров применяют специальное электронное устройство, с помощью которого на электроды подается высокое напряжение. При этом протекающий ток прожигает образовавшиеся на них отложения.

Для измерения расходов загрязненных сточных вод применяется алюминиевый трубопровод, нагреваемый посредством вихревых токов, создаваемых магнитным полем.

В некоторых приборах удаление осадка с электродов осуществляют с помощью ультразвука.

Преобразователь расхода может монтироваться на горизонтальном, вертикальном и наклонном трубопроводе при условии, что весь объем трубы преобразователя заполнен измеряемой средой.

Как правило, выбирают диаметр условного прохода равным диаметру трубопровода. Однако он может быть больше или меньше. При этом предусматриваются конические трубки. Расход жидкости в таком случае не должен превышать градуировочного значения.

Установка датчика на трубопроводе осуществляется таким образом, чтобы электроды лежали в горизонтальной плоскости.

Электромагнитные расходомеры имеют ряд преимуществ:

– безынерционность;

– на измерение не влияет наличие взвешенных частиц;

– выходной сигнал не зависит от свойств контролируемой жидкости (вязкости, плотности) и характера потока (ламинарного, турбулентного);

– линейность выходного сигнала.

Электромагнитные расходомеры обеспечивают измерение расхода в диапазоне 1– 1500 м³/ч с диаметром трубопровода от 3 мм до 1 м и более. При линейной скорости движения жидкости () от 0, 6 до 10 м/с погрешность электромагнитных расходомеров ±0, 5– 1, 5 %.