Принцип работы и особенности электромагнитных счетчиков - расходомеров молока

Индукционные электромагнитные расходомеры применяются с 40-х годов прошлого века. Многочисленные достоинства этих приборов стали причиной того, что, на сегодняшний день, они распространены в разных отраслях, в том числе, в пищевой промышленности. На трубопроводах с ДУ менее 300 мм это самые популярные устройства. Их используют как счетчики молока, воды, пива, кислот, щелочей, солевых растворов и других жидкостей. Такие приборы хороши тем, что, по сравнению с аппаратами других типов, они малоинерционны. Они незаменимы при учете быстроменяющихся расходов жидкости, а также на тех участках автоматического регулирования процессов, где запаздывание команд нежелательно.

Теоретические основы метода электромагнитной индукции

В основе принципа действия расходомеров данного типа лежит закон электромагнитной индукции, сформулированный Фарадеем. Если проводник перемещается в магнитном поле, то в нем возникает электродвижущая сила (ЭДС). Указанный постулат гласит, что величина ЭДС будет пропорциональна скорости движения проводника.

Объемный расход рабочей среды, прошедшей через счетчик, равен произведению площади сечения трубы, выраженному в квадратных метрах, на скорость потока, в метрах за секунду. Поскольку первый множитель – величина известная и постоянная, то, для определения объема, достаточно узнать только скорость. Для этого необходимо вычислить наведенную в рабочей среде ЭДС, поскольку жидкость в данной системе является тем самым проводником, который перемещается в магнитном поле установленного на трубопроводе первичного преобразователя (рис. 1).

Исходя из сказанного выше, внутренняя поверхность расходомера, контактирующая с рабочей средой, должна иметь диэлектрическое покрытие. А сама жидкость обязана быть с электропроводностью не менее 0,001 См/м, что приблизительно равно значению этого параметра для водопроводной воды. Специальные модели расходомеров работают при нижнем пределе 10^-5 См/м.

Расход жидкости можно измерять с применением, как постоянного, так и переменного магнитного поля. У каждой технологии есть свои достоинства и недостатки.

Постоянное магнитное поле

На рисунке 2 изображена принципиальная схема электромагнитного счетчика, работающего с использованием постоянного магнитного поля. Основными узлами прибора являются первичный преобразователь расхода (ПЭПР), измерительный усилитель (ИУ) и вторичный измерительный прибор (ИП). Корпус представляет собой трубу 1. Присоединение к трубопроводу – фланцевое (на рисунке не показано), материал – немагнитный. С внешней стороны располагается постоянный магнит NS. Его силовые линии направлены перпендикулярно потоку жидкости. Для съема наведенной в рабочей среде ЭДС, в стенку корпуса заподлицо вмонтированы диаметрально расположенные электроды 2 и 3.

Ионы, находящиеся в жидкости, под действием магнитного поля перемещаются к электродам. Достигнув их, ионы «отдают» электродам свои заряды, в результате чего в цепи с электродами наводится ЭДС (т.е., возникает электрический ток), которую, после ее усиления, регистрирует вторичный измерительный прибор.

Электропроводимость материала, из которого сделана труба, должна быть намного меньше того же параметра жидкости. Иначе стенка начнет шунтировать выходную ЭДС. Если корпус делается из немагнитной стали, то его внутренняя поверхность защищается изолирующей футеровкой. На электродах также ставится изоляция, предотвращающая их контакт с трубой.

Направление возникающей в рабочей среде ЭДС определяется по правилу правой руки. Если поток движется перпендикулярно силовым линиям, то наведенная ЭДС, которую снимают электроды 2 и 3, будет равна:

Е = V_c * D * B,

Где V_c – средняя скорость потока (м/с),

D – расстояние между электродами (м), равное проходному диаметру,

B – магнитная индукция (Т).

Поскольку между скоростью движения жидкости и объемным расходом существует зависимость:

Q = (π * D² * V_c ) / 4,

То уравнение для ЭДС записывается в следующем виде:

Е = (4B * Q) / (π * D).

Из последней формулы можно сделать вывод, что ЭДС, наведенная в жидкости, прямо пропорциональна расходу.

Если рассмотреть поперечное сечение потока рабочей среды, то вклад его различных точек в создание определенной разности потенциалов на электродах, будет неодинаковым. Численно он описывается весовой функцией W, изолинии которой наглядно показаны на рис. 3.

ПЭПР с постоянными магнитами хороши тем, что в данном случае проще устранить помехи, создаваемые внешними переменными силовыми полями. В источнике питания нет необходимости, а быстродействие – более высокое, чем у аппаратов, использующих переменное магнитное поле. У последних скорость срабатывания ограничена частотой силового поля.

Среди основных недостатков – поляризация электродов, в результате чего на границе контакта с жидкостью возникает двойной слой зарядов. По мере их накопления, возникает ЭДС поляризации, направленная в сторону, противоположную измеряемой ЭДС жидкости, которая индуктируется магнитным полем. Это нарушает градуировку, в результате чего прибор, даже через короткое время, перестает давать точные показания. Использование графитовых, платиновых и других неполяризующихся электродов снижает неблагоприятный эффект, но не устраняет его совсем.

Еще одним недостатком электромагнитных расходомеров данного типа является сложность увеличения напряжения постоянного тока. Особенно это сказывается при значительном внутреннем сопротивлении ПЭПР. Невозможность полностью устранить влияние электрохимических процессов привела к тому, что счетчики с постоянными магнитами не получили в промышленности большого распространения. Их применяют только для измерения расхода пульсирующих потоков рабочей среды или для жидких металлов (натрий и др.). А также при очень коротких по времени измерениях, когда электроды просто не успевают поляризоваться.

Переменное магнитное поле

При использовании переменного магнитного поля, влияние электрохимических процессов на работу измерительного прибора оказывается намного меньшим. При достаточно большой частоте, поляризация практически отсутствует. Поэтому в настоящее время в промышленности используются электромагнитные расходомеры данного типа. Принципиальная схема такого счетчика представлена на рис. 4.

Здесь переменное магнитное поле ПЭПР создается электромагнитом 4. Обозначения 1, 2 и 3 аналогичны предыдущей схеме. R_н – внешняя нагрузка, R - реостат. УП – промежуточный усилитель-преобразователь для измерения ЭДС, с постоянным током на выходе до 5 мА.

Современные приборы работают по тому же принципу, конструктивные изменения вносятся лишь благодаря применению более совершенных электронных блоков (рис. 5). При создании в электромагнитном расходомере силового поля, изменяющегося с частотой ω, для трубы круглого сечения ЭДС находится по формуле

Е = Bmax * D * Vср * sin ωt

Если выразить среднюю скорость жидкости через ее объемный расход, то

Е = (4Q/(π * D)) Bmax * sin ωt

В этом выражении t – время, Bmax = B / sin ωt - амплитуда магнитной индукции, ω = π * t - круговая частота.

Важным преимуществом современных электромагнитных счетчиков является то, что в них, для создания более мощного сигнала, снятого с преобразователя, применяются электронные усилители. Эти приборы делаются с большим входным сопротивлением. По указанной причине, если параметры жидкости меняются, то изменение сопротивления преобразователя не оказывает влияния на точность показаний прибора.

На погрешность измерений, проводимых с помощью устройства с переменным силовым полем, влияют, прежде всего, три типа помех: емкостные (от переменного тока электромагнита), паразитные (от внешних линий) и трансформаторные (индукционные, созданные магнитным полем преобразователя). Первые и вторые устраняют экранированием расходомера.

Трансформаторная ЭДС

Провода, идущие от электродов, замкнуты в измерительном блоке. Жидкость между электродами проводит электрический ток. В результате получается контур. Переменное магнитное поле возбуждает в нем индукционную ЭДС, аналогично тому, как это происходит в трансформаторной обмотке. От скорости движения рабочей среды или ее расхода этот параметр не зависит. Численно он равен

Етр = -к * ω * Вmax * cos ωt

Где к – постоянный коэффициент.

Трансформаторная ЭДС по фазе сдвинута относительно «рабочего» сигнала на 90 град. Если частоту тока, питающего электромагнит, понизить до 10 Гц, то помехи от этой ЭДС станут минимальными до такой степени, что ими можно будет пренебречь. Но конструкция расходомера в данном случае окажется чересчур сложной. Поэтому промышленные счетчики работают на частоте 50 Гц.

Отрицательное влияние трансформаторной ЭДС устраняют разными способами. Один из них показан на рис. 6. Два индукционных преобразователя, каждый из которых оборудован собственным магнитом, включаются в сеть так, чтобы направление их силовых полей было противоположным, одно относительно другого. При этом возникают дополнительные ЭДС самоиндукции. По фазе и величине они равны, но направлены в разные стороны, поэтому в первичной трансформаторной обмотке они взаимно уничтожаются.

В другом случае (рис. 7), чтобы компенсировать индукционную ЭДС, применяют делитель напряжения и фазовращатель, в одно из плеч которого включен переменный резистор. Его сопротивление изменяют до тех пор, пока фаза напряжения на делителе не совпадет с фазой трансформаторной ЭДС. Напряжение на делителе противоположно по направлению индукционной ЭДС, а по фазе и величине – равно ей. Результат – аналогичный, мешающая измерениям ЭДС устраняется.

Питание электромагнитов

Магнитная система расходомера состоит из магнитопровода и электромагнитов-индукторов. Ее конструкция основана на одном из двух принципов. Первый предусматривает обеспечение наибольшей однородности силового поля. Второй нацелен на создание поля, которое бы выполняло условие B*W = const и компенсировало неодинаковые значения весовой функции. Для создания промышленных приборов используется, в основном, второй принцип, так как в данном случае на расходомер меньше влияют искажения профиля потока. Кроме того, прямые участки до и после счетчика, а также длина измерительной трубы, допускаются меньших размеров, металлоемкость аппарата снижается.

Питание индукторов может быть разным. Постоянный ток (DC) практически не используется по причинам, описанным выше. Переменный ток (АС) устраняет поляризацию электродов, но появляются другие проблемы, приходится убирать трансформаторную ЭДС. Такие счетчики применяются ограниченно.

В настоящее время наибольшее распространение получили расходомеры, в которых на обмотки электромагнитов подаются переменнополярные импульсы постоянного тока (рис. 8) частотой от 3 до 8 Гц. Разность потенциалов меняется в определенные временные интервалы. То есть, по сути, на магнит подается постоянный ток, полярность которого периодически переключается. Силовое поле в эти моменты стабильно, так же, как и магнитный поток по контуру. Воздействие трансформаторной ЭДС на «рабочий» сигнал обнуляется. Важно и то, что измерительный блок счетчика вычисляет напряжение на электродах постоянно, даже если ток отсутствует. Таким образом, корректировка нуля выполняется автоматически.

В некоторых случаях питание электромагнитов осуществляется токами двойной частоты 6,25 Гц и 75 Гц. Есть модели, в которых ЭДС поляризации устраняется с помощью подачи на обмотки пульсирующего однополярного тока (рис. 9).

Поскольку поляризация электродов является более инертным процессом, чем движение импульсного тока, то в момент t₀ на них присутствует некоторый заряд. В момент t₁ начинается подача импульса. В момент t₂ микропроцессор фиксирует суммарное напряжение, равное по времени сумме значений в моменты t₀ и t₂ . Путем определения разности данных напряжений, находится информативный сигнал. Его величина пропорциональна ЭДС жидкости. Поступление тока прекращается в момент t₃ .

Устройство расходомеров

Промышленный электромагнитный счетчик состоит из первичного преобразователя расхода (ППР), который создает магнитное поле. За счет этого в жидкости наводится ЭДС, воспринимаемая электродами. С преобразователя сигнал поступает в измерительный блок, где он усиливается и унифицируется. Последний фактор дает возможность использовать разные вторичные контрольные приборы. Также в расходомере присутствует контур, снижающий влияние трансформаторной ЭДС.

Зона измерения счетчика, то есть, длина «его» трубы, равна 2,5 диаметра. Она должна быть из немагнитного, не проводящего ток материала. На практике данный элемент делают из нержавейки, с футеровкой (внутренней вставкой) из полиэтилена или фторопласта (PTFE, PFA). Чтобы на участке измерения турбулентность потока была минимальной, рекомендуется выбирать для монтажа расходомера прямолинейную магистральную трубу с постоянным сечением, длиной от 5 до 10 диаметров, как до прибора, так и после.

Величина напряжения тока, возникающего в рабочей среде под влиянием силового поля, очень мала, порядка микро- или милливольт. Поэтому главной задачей является решение вопроса о выделении поступающего с электродов полезного сигнала и его обработке. Последняя выполняется в вычислительном узле. В него входят такие элементы, как усилитель входящего тока, компенсационные схемы и система формирования стандартных сигналов на выходе. Если, из-за отрицательного воздействия внешней среды или высокой температуры жидкости, вычислительный узел и ППР нельзя скомпоновать в одном блоке, то узел монтируют отдельно. Для связи берется специальным образом экранированный кабель, с ограничением по длине.

Электроды могут быть контактные и бесконтактные. Первые в стандартном исполнении делаются из платины, титана, тантала, хастелоя. В некоторых случаях, их надо периодически чистить специальными устройствами. На больших ДУ, электроды можно снимать для профилактики без разбора ППР. Есть модели, в которых для этого применяют ультразвук или высокое напряжение. Чтобы на электродах не появлялись осадочные отложения, рекомендуется монтировать их на вертикальных трубах с восходящим потоком жидкости. Особенно это актуально при малых скоростях рабочей среды и наличии в ней взвешенных или растворенных частиц, способных выпасть в осадок. (Здесь необходимо заметить, что в инструкции к электромагнитному расходомеру РМ-5-П, как и ко многим другим, прописано требование монтажа счетчиков только на горизонтальных трубах).

Бесконтактные электроды (емкостные) делаются в виде пластин, которые ставятся снаружи на футеровочную вставку (последняя в этом случае часто выполняется из керамики). Благодаря такому расположению, они образуют конденсатор. Заряды в жидкости, разделенные силовым полем, индуцируют в данном конденсаторе ЭДС. Пластины и идущие от них провода экранируются в несколько слоев, чтобы исключить влияние на них сторонних силовых полей. Такие счетчики могут работать с жидкостями с электропроводностью до 0,05 мкСм / м.

Расходомер РП

Одним из популярных электромагнитных расходомеров является модель РП. Он выпускается в различных модификациях. На рис. 10 представлена структурная схема.

Равномерно по окружности трубы, с ориентировкой по радиусу, располагаются преобразователи скорости ПС. Они связаны с измерительными блоками ИБ, которые образуют первичный преобразователь скорости ППС. Каждый из трех комплектов формирует измеритель скорости ИС. Сигналы с трех преобразователей поступают в измерительно-вычислительный блок ИВБ-1П. Счетчик может работать на трубопроводах с ДУ до 5000 мм. Точность измерений составляет плюс-минус 1,5 – 2 %. Счетчик РП с одним преобразователем дает показания с точностью плюс-минус 2 – 3 %. Для установки ПС на трубу используются шлюзовые камеры, благодаря чему преобразователи скорости можно извлекать без перекрытия потока рабочей среды.

Для пищевой промышленности выпускаются расходомеры молока модели РП (рис. 11). Модификации рассчитаны на ДУ 25, 32 и 50 мм. Эти устройства предназначены для измерения расхода жидких продуктов с электропроводимостью от 0,001 до 10 См / м. Они применяются, как самостоятельно, так и в составе узлов учета УУМ-25/32/50.

РП обеспечивает:

• Определение объемного расхода рабочей среды, как разового, так и суммарного.

• Ввод в память электронного блока значения плотности измеряемой жидкости.

• Вычисление массового расхода, который соответствует объемному.

• Отображение значений на ЖК дисплее.

Если трубопровод не заполнен жидкостью, расходомер автоматически отключается. Гидравлическое сопротивление отсутствует, энергопотребление низкое (до 10 Вт). Опционально прибор комплектуется преобразователем давления и термопреобразователем.

РП отличается большой точностью измерений и широким динамическим диапазоном (Gmax/Gmin = 50/1). Для этого прибора не требуются большие прямолинейные участки трубы до и после счетчика, достаточно длины от трех до пяти диаметров. Есть функция дозирования. Интерфейс RS-485 позволяет передавать сведения на ЭВМ, расположенную на удалении до 1 км., и объединять в сеть до нескольких десятков приборов.

Технические требования к счетчикам данного типа регламентирует ГОСТ 28723-90.

Электромагнитные молокомеры – это современные учетные приборы, использование которых в пищевой промышленности позволяет получить точные данные расхода и оперативно управлять исполнительными устройствами.