На конференции FLOMEKO в Сеуле в 1993 г. французские спе циалисты представили результаты испытания квартирного счет чика газа с осциллирующей струей. Линейность осцилляции ±1,5 % , падение давления 400 Па при расходе 40 м3/ч.
На этой же конференции английские специалисты сообщили о разработанном для бытового употребления счетчике воды с ос циллирующей струей, но с электромагнитным управлением про цессом осцилляции.
Вработе [23] изучается сигнал, возникающий в вихревом рас ходомере с телом обтекания кольцевой формы (потоки идут внут ри и снаружи кольца).
Вработе [21] Панканиным (Польша) дается общий анализ раз ных вихревых расходомеров.
Г л а в а 15
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
15.1.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Воснове электромагнитных расходомеров лежит взаимодей ствие движущейся электропроводной жидкости с магнитным по лем, подчиняющееся закону электромагнитной индукции.
Основное применение получили такие электромагнитные рас ходомеры, у которых измеряется ЭДС, индуцируемая в жидко сти при пересечении ею магнитного поля. Для этого (рис. 172)
вучасток 2 трубопровода, изготовленный из немагнитного мате риала, покрытого внутри неэлектропроводной изоляцией и поме щенного между полюсами 1 и 4 магнита или электромагнита, вводятся два электрода 3 и 5 в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на элек тродах 3 и 5 определяется уравнением
Е= BDv = 4BQQ/nD,
где В — магнитная индукция; D — расстояние между концами электродов, равное внутреннему диаметру трубопровода; v и QQ — средняя скорость и объемный расход жидкости.
Таким образом, измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объемному расходу Qq. Для учета краевых эф фектов, вызываемых неоднородностью магнитного поля и шун тирующим действием трубы, уравнение умножается на попра вочные коэффициенты kMи ки, обычно весьма близкие к единице.
При измерении расхода расплавленных металлов применяется постоянное магнитное поле. При измерении же расхода обычных жидкостей с ионной проводимостью во избежание поляризации электродов применяют переменное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. В случае питания их то ком промышленной частоты f поле имеет синусоидальную форму и его индукция В = = Bmax sin 2nft. В этом случае ЭДС, пропорци ональная расходу, изменяется по уравнению
Рис. 172. Принципиаль ная схема преобразовате ля расхода у электромаг нитного расходомера
Е = 4BmaxQc sin 2nft/nD.
Но в последние годы все шире применя ется переменное поле низкой частоты и осо бой формы.
Достоинства электромагнитных расходо меров: независимость показаний от вязкос ти и плотности измеряемого вещества, воз можность применения в трубах любого диа
302
метра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, необхо димость в меньших длинах прямых участков труб, чем у других расходомеров, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Но электромаг нитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и па ра, а также жидкостей диэлектриков, таких, как спирты и неф тепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у кото рых удельная электрическая проводимость не менее 10 3 См/м. Мож но измерить водопроводную воду, щелочи, кислоты и другие жидкости, применяемые в химической промышленности, соки, сиропы и разнообразные жидкости в пищевой промышленности, различные водные растворы в алюминиевой и других отраслях промышленности, сточные жидкости и т. п. С помощью особых электрических измерительных схем предел применения рассмат риваемых расходомеров повышен до 10-5 См/м.
Помимо измерения расхода различных жидкостей и пульп с ионной проводимостью, а также расхода расплавленных метал лов электромагнитный метод применяется для измерения расхода крови в медицинской и физиологической практике, а также для измерения скорости морских течений и воды в открытых руслах.
15.2. ВЛИЯНИЕ ЭПЮРЫ СКОРОСТЕЙ
При осесимметричном потоке показания электромагнитного расходомера при одном и том же расходе будут приблизительно одинаковы как при турбулентном, так и при ламинарном движе нии. Это большое преимущество данных расходомеров по срав нению со многими другими. Оно результат действия циркуля ционных токов (рис. 173) между центральной зоной больших ско ростей и периферией, которые снижают ЭДС на электродах на столько, насколько она могла бы возрасти от увеличения скоростей в центральной зоне [65]. На рис. 174 кроме циркуляционных то ков изображены линии равных потенциалов — сплошные для ламинарного и штриховые для турбулентного движения.
При нарушении осевой симметрии потока появляется влияние деформации поля скоростей на показания электромагнитных рас ходомеров, хотя и в меньшей мере, чем у расходомеров с сужаю щими устройствами. Это влияние обусловлено тем, что вклад от дельной точки жидкости в создание разности потенциалов на эле ктродах тем больше, чем ближе расположена эта точка к тому или другому электроду. Это видно из рис. 174, а, б, на котором изображены изолинии весовой функции W , объединяющие точки равного веса или вклада в разность потенциалов на электродах. На рис. 174, а построены изолинии функции W по уравнению
D4 + 4Р 2 ( х 2 - у 2 ) |
D4 + 4P2r2 C O S 6 |
£>4 + 8D2 (хг - у2) +16 (х 2 - у 2) |
D4 + 8£>2r2 C O S 0 + 16г4 ’ |
303
Рис. 173. Эквипотенциальные линии и линии циркуляционных токов
которое дает зависимость W от декартовых (х 9 у) или полярных (г, 0) координат любой точки поперечного сечения трубы. Это уравнение получено только при решении двумерной задачи для плоскости электродов [32]. На рис. 174, б даны эксперименталь но полученные линии W.
Проведенные опыты [10, 60] по определению влияния мест ных сопротивлений показали, что даже при очень сильных воз-
а) |
----- |
|
0.5 |
0Т85
/ 1 2 f 2' 0 ( ]
0 . 8 5 ^ ~ ^ У Л
/
0.5
Рис. 174. Изолинии весовой функции: а — теоретические [32]; б — экспериментальные
304
мущениях потока, создаваемых дроссельным клапаном, прикры тым на 75 % [12], или перегородкой с небольшим отверстием у края [4, 8], достаточно прямого участка трубы длиной Z >(20-5-22) D для устранения влияния деформации потока на показания. При возмущениях же, вызываемых коленом, необходимая длина I не превосходит (5-s-lO) £>, причем расстояние I следует считать не от присоединительного фланца преобразователя расходомера, а от плоскости, в которой расположены электроды. И лишь когда с помощью перегородки с отверстием у края, устанавливаемой на расстоянии (2-5-3) D от электродов, весь поток направляется к од ному из электродов, показания возрастали в два раза, а при пово роте перегородки на 90° уменьшался тоже в два раза по сравне нию с недеформированным потоком [61]. Для возможности умень шения указанных значений длин прямых участков I предложено индукцию В магнитного поля в плоскости электродов распола гать по закону BW = const (см. далее).
Если канал преобразователя расхода сделать не круглым, а прямоугольным, и иметь электроды в виде прямоугольных пла стин, равных по ширине боковым стенкам канала, параллельных магнитному полю, то никакая деформация потока не будет отра жаться на показаниях расходомера [18, 53, 66] вследствие усред няющего действия пластинчатых электродов. Кроме того, изме нением соотношения сторон прямоугольного канала при одной
итой же площади проходного сечения и той же магнитодвижу щей силе электромагнита можно увеличить индукцию поля за счет уменьшения междужелезного зазора магнитной системы. Рас ходомеры с прямоугольным каналом целесообразны для конт рольных и образцовых приборов [18], от которых требуется по вышенная точность измерения. При небольших диаметрах труб (менее 10-20 мм) их иногда применяют в лабораторной практике
ив оросительных системах [51].
15.3.ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПРОХОДНОГО СЕЧЕНИЯ ТРУБЫ И КОНЦЕВЫХ ЭФФЕКТОВ
Впроцессе эксплуатации возможно уменьшение проходного сечения трубопровода осадками, выпадающими из жидкости. При этом иногда происходит смолообразование и карамелизация сте нок трубы. Если осадки расположены равномерно по всей стенке трубы в виде концентрического слоя и проводимость последнего будет равна проводимости жидкости, то показания прибора изме няться не будут вследствие независимости показаний электро магнитного расходомера от числа Рейнольдса и характера эпюры скоростей при осесимметричном потоке. Но обычно осадок уп лотняется и тогда его проводимость у0 будет меньше проводимос ти жидкости у* Это вызовет увеличение напряжения на электро дах вследствие уменьшения шунтирующего действия слоя ОСад-
2 0 ^ |
305 |
Рис. 175. Влияние конечной длины магнитного поля
ков. Значение поправочного коэффициента при концентрически расположенном слое осадков определяется [20] уравнением
k = 2г2 [(г2 - г2) + (Y0 / у)(гт2 - г02)] -1 ,
где гт и г0 — внутренние радиусы трубопровода и концентриче ского слоя осадков.
Подбором входного сопротивления измерительной цепи мож но в значительной мере ослабить влияние осадков на показания прибора. Целесообразно также преобразователь расхода устанав ливать на вертикальном участке трубопровода. Это будет препят ствовать неравномерному выпадению осадка.
Концевые эффекты — результат ограниченности размеров маг нитного поля и изолирующей футеровки в преобразователе рас хода [62]. Как показано схематически на рис. 175, а, под влияни ем градиента магнитного поля на концах последнего возника ют циркуляционные токи, лежащие в плоскостях, перпенди кулярных к магнитному полю. Они ослабляют поле в сечении I и усиливают его в сечении II, Одновременно они ослабля ют измеряемую ЭДС тем больше, чем меньше длина 1Ммагнит ного поля. Зависимость коэффициента ослабления kM от отно шения lM/D, полученная теоретическим путем [19, 62], показана на рис. 175, б. Коэффициент kMпрактически равен единице при
I J D > 3 .
Как показано на рис. 176, а, трубопровод за пределами изоли рующей футеровки создает путь для концевых токов, шунтирую щих область между электродами. Вызываемое ими уменьшение измеряемой ЭДС оценивается коэффициентом ослабления /ги, за висимость которого от относительной длины lK/D футеровки по-
Рис. 176. Влияние конечной длины футеровки
306
казана на рис. 176, б (кривая 1 — теоретическая [19], кривая 2 — экспериментальная). При блине ln/D > 4 коэффициент ки практи чески равен единице. Концевые эффекты могут быть учтены при градуировке.
15.4. ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Постоянное магнитное поле имеет много достоинств: относи тельную простоту устройства магнитной системы, возможность измерения расходов, изменяющихся с высокой частотой, отсут ствие многочисленных помех, возникающих при применении пе ременного магнитного поля, принципиальную возможность из мерения расхода веществ с низкой электрической проводимос тью. Но такому полю свойствен существенный недостаток — по ляризация электродов. При протекании электрического тока через электролит нарушается электродинамическое равновесие на гра нице электрод—жидкость из-за ограниченной скорости электро химических реакций. Чем больше сила тока, тем большее число ионов не успевает разрядиться при проходе через поверхностный слой. В результате происходит концентрация отрицательных ионов у положительного электрода, а положительных у отрица тельного, которые образуют ЭДС поляризации Еп, направленную навстречу измеряемой ЭДС. Явление поляризации осложняется неустойчивым состоянием поверхностных слоев у электродов. Не посредственно прилегающая к электроду очень тонкая часть по верхностного слоя неподвижна, другая большая его часть — диф фузионная — увлекается жидкостью при ее движении. На грани це между неподвижным и диффузионным слоями возникает раз ность потенциалов у, пропорциональная скорости v и вязкости р жидкости: \|/ = 4n[iv/eE3yгде в — диэлектрическая постоянная жид кости; Еэ — напряженность электрического поля так называемо го двойного слоя. Изменение \|/ сказывается на полном, так назы ваемом электродном, потенциале металла, погруженного в вод ный раствор. Неполная идентичность электродов, неоднородность жидкости и неодинаковость местных скоростей приводит к тому, что потенциалы, возникающие у двух электродов, не могут ском пенсировать друг друга и образуется гальваническая ЭДС Ег, на рушающая нормальную работу расходомера.
В связи с этим для измерения расхода обычных жидкостей с ион ной проводимостью применяют почти всегда переменное, а не постоянное магнитное поле. Последнее вполне уместно для изме рения расхода расплавленных металлов, имеющих электронную, а не ионную проводимость. Кроме того, электромагнитные расхо домеры с постоянным магнитным полем иногда применяют в ла бораторной и исследовательской практике при кратковременных измерениях, когда явление поляризации не может достичь за метной величины, и при измерении быстропеременных расходов, измерение которых невозможно при переменном магнитном поле.
307