15.5. ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Переменное магнитное поле благодаря сведению до минимума поляризации электродов широко применяется в отечественных и зарубежных электромагнитных расходомерах. Однако здесь воз никает ряд ограничений и помех.
1. Наряду с токами проводимости в преобразователе расхода протекают и токи смешения. При удельной проводимости жид кости больше, чем 10” - 10~6 См/м, они ничтожно малы по срав нению с токами проводимости и не влияют на показания. Но при дальнейшем уменьшении у токи смещения быстро растут и, за мыкаясь через стенки преобразователя и окружающее простран ство, вызывают падение напряжения между электродами, тем большее, чем меньше относительная диэлектрическая проницае мость ег жидкости. Согласно [34], коэффициент ослабления kQ измеряемой ЭДС в результате шунтирующего действия токов сме щения определяется уравнением
К = д/(сое0 / у)2 + [1 + ег (8Г - 1 )(ю е0 / Y)2 ]2 /[1 + 4 (ю ео /V )2].
в котором со — круговая частота магнитного поля; в0 — электри ческая постоянная. При со= 0 имеем kQ= 1. С увеличением безраз мерного отношения 0)£Q/ Y коэффициент kQ, уменьшаясь, стремит ся к значению ег(вг - 1).
Рассмотренное явление ограничивает возможности примене ния переменного поля для жидкостей с малой электрической про водимостью (менее 1СГ510~6 См/м).
2. Емкостное сопротивление между проводами, связывающи ми преобразователь расхода с измерительным прибором, ограни чивает длину I проводов тем больше, чем меньше удельная прово димость жидкости. Для точного измерения ЭДС преобразователя надо, чтобы сопротивление нагрузки zHбыло во много (100-500) раз больше сопротивления z преобразователя. Сопротивление же zH,
как видно из уравнения zH= [/^ /(1 -h со2С2г2)]0,5, зависит от со
противления ги измерительного прибора и емкости Сп соедини тельных проводов. С увеличением длины I проводов возрастает их емкость Сп и снижается zH. Так как г возрастает с уменьшени ем у и увеличением диаметра D, одновременно снижается и допус тимое значение L Так, у расходомеров типа ИР при у> 5 •ИГ2 См/м I= 100 м, а при у= 10~3 См/м I сокращается до 10 м. У расходоме ров «Фоксборо» [29] при увеличении I от 15 до 150 м минимально допустимая проводимость у возрастает от 7,5 •10~3 до 7 •10“3 См/м при D = 50 мм и от 0,5 •10“3 до 5 •10“3 при D = 300 мм. Вредное влияние емкости проводов уменьшится, если усилитель или пер вую его ступень (катодный повторитель) отделить от измеритель ного прибора и установить у преобразователя расхода. Другой способ состоит в применении проводов с двойным экраном и по-
308
даче на внутренний экран напряжения, равного по величине на пряжению экранируемого провода. Такая схема позволяет [56] измерять расходы малоэлектропроводных жидкостей, имеющих
у= 1(Г5 См/м.
3.При переменном магнитном поле наряду с полезным сигна лом Е = 4BmaxQ0 sin 2nft/nD возникает паразитная, так называе мая трансформаторная ЭДС
Ет= -S (dB/dt) = -2 nfSBmax cos 2nft,
индуцируемая в контуре площадью S, образованном электрода ми, выводными проводами и измерительным прибором. Она тем больше, чем больше частота f и площадь S контура, перпендику лярная к магнитному полю. Величина Етможет быть значитель но больше полезного сигнала. Имеется несколько методов борьбы
свредным влиянием трансформаторной ЭДС. Один из них осно ван на уменьшении площади S путем расположения плоскости витка, образованного проводниками, идущими от электродов, параллельно силовым линиям магнитного поля.
То обстоятельство, что полезный сигнал и трансформаторная ЭДС сдвинуты по фазе на 90°, облегчает устранение влияния пос ледней схемным путем. Для этой цели может служить усилитель
сфазовым детектором. Весьма эффективна также раздельная ком пенсация синфазной и трансформаторной (квадратурной) состав ляющих выходного напряжения. Имеются также и другие схемы
подавления квадратурной помехи, в частности примененные
врасходомерах ИР-51 и ИР-61 (см. далее).
4.Переменное магнитное поле вызывает появление вихревых токов Фуко как в магнитопроводе, так и в стенках трубопровода
и в измеряемой жидкости. При небольшой толщине стенки и жидкости с ионной проводимостью вихревыми токами можно во многих случаях пренебречь. Вихревые токи возрастают с уве личением толщины стенки и могут оказать влияние на показа ния расходомеров в результате создания этими токами своего маг нитного поля, ослабляющего основное магнитное поле, и вслед ствие увеличения фазового сдвига между полезным сигналом и током. Это затрудняет создание преобразователей расхода при больших давлениях измеряемого вещества. Кроме того, из-за не однородности магнитного поля и жидкости возможно неравенство вихревых токов по обе стороны от сечения трубы, в котором на ходятся электроды, и появление на последних дополнительной паразитной ЭДС.
5. На измеряемую ЭДС может влиять электрическая емкость между цепью электромагнита и цепью проводов от преобразова теля расхода до измерительного прибора. Заземление магнитопровода, электростатическое экранирование электродов и сниже ние напряжения питания электромагнита способствуют умень шению этого влияния.
309
6.Блуждающие токи и внешние электромагнитные поля — возможные источники помех. Для борьбы с токами надо иметь
водной точке заземление корпуса преобразователя и других эле ментов схемы, подлежащих заземлению, а для устранения наво док от внешних полей следует хорошо экранировать все части расходомера и применять коаксиальные кабели для соединитель ных проводов.
7.Изменение напряжения и частоты питания обмотки элект ромагнита, а также температуры последнего могут вызвать изме нение индукции В магнитного поля, а следовательно, и измеряе мой ЭДС. Простейший путь борьбы с этим — сделать напряжение питания электромагнита также опорным напряжением схемы сравнения. Еще лучше, когда не напряжение, а сила тока элект ромагнита будет источником опорного напряжения. При этом будет устранено и влияние температуры. Но наиболее совершенный способ — непосредственно связать опорное напряжение с магнит ным потоком преобразователя [19]. Тогда устраняются и влия ния нелинейности кривой намагничивания и фазовых сдвигов между током и магнитным потоком в электромагните. Такая схе ма особенно необходима для измерения расхода железорудных пульп.
8.Приближение железа магнитной системы преобразователя к насыщению вызывает усиление помех и рассеяния магнитного потока. Поэтому индукция В магнитного поля не должна быть более 0,25-0,3 Т.
9.Явление поляризации электродов имеется и при перемен ном магнитном поле, но во много раз в меньшей степени, чем при постоянном поле. Чем больше частота поля, тем больше основа ний, чтобы пренебречь им. Постоянное же значение гальваниче ской ЭДС можно отфильтровать конденсаторами или разделитель ными трансформаторами, установленными перед усилителем.
10.В электромагнитных расходомерах имеется паразитная ЭДС Еш, обязанная своим происхождением так называемым тепло-
вым шумам £ц, = (Е ^ +E ^2)°’5, где Еш1 — ЭДС, возникающая от тепловых шумов во внутреннем сопротивлении В жидкости между электродами; Еш2 — ЭДС, возникающая от тепловых шу мов во входном сопротивлении RBX усилителя. Для определения Еш1 имеется формула
£ ш1 = ( 4 т г д / ) 0’5,
где k — постоянная Больцмана, k= 1,37 •1 0 23 Дж/К; Т — абсолютная температура жидкости, К; R — активная составляющая сопротивления, Ом; А/ — усиливаемая полоса частот в измери тельной схеме, Гц. Таким образом, Еш1 возрастает с увеличением R и А/. По аналогичной формуле определяется и Еш2.
При компенсационной схеме измерения RBX = R и Еш = (2Еш1)0,5. При некомпенсационной схеме RBX » R. Помехой от тепловых
310
шумов можно пренебречь при компенсационной схеме вплоть до R < 108 Ом, а при некомпенсационной схеме при R < 105 Ом.
Тепловые шумы, как и токи смещения, ограничивают приме нение электромагнитных расходомеров для жидкостей с большим удельным сопротивлением.
15.6. ИМПУЛЬСНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Многочисленные помехи и ограничения, связанные с приме нением переменного поля, проявляются тем сильнее, чем выше частота поля. Поэтому в большинстве случаев, когда не требуется измерение быстропеременных расходов, целесообразно существен но снижать обычную частоту (50 Гц) магнитного поля. Имеются разработки и реализации расходомеров, работающих на частотах 6,25 (50: 8) Гц; 3,125 (50: 16) и даже 1,5625 (50 : 32) Гц. В ре зультате полностью устраняется влияние внешних помех промыш ленной частоты; существенно снижается влияние, собственных индукционных и емкостных помех; практически устраняется влияние вихревых токов, что облегчает создание преобразовате лей расхода на высокое давление; уменьшается дрейф сигнала и влияние шумов и снижается потребление электроэнергии; по является возможность отказа от шихтованного магнитопровода; упрощается изготовление за счет исключения экранировки элек тродов и измерительных цепей.
Снижение частоты целесообразно сочетать с переходом на им пульсное питание электромагнитов от источника постоянного тока. Одна из первых таких разработок не только в отечественной, но и в мировой практике была описана более 30 лет назад. Были раз работаны расходомеры с переменным полем прямоугольной фор мы, частотой около 5 Гц на диаметры труб от 4 до 10 мм и на давление 15 МПа, предназначенные для измерения очень малых расходов вплоть до 2 -3 г/с. В современных конструкциях этих расходомеров полностью устранено влияние поляризации элект родов и гальванической ЭДС на показания [32, 37, 45, 47, 54, 55]. На рис. 177, а показана зависимость индукции магнитного поля у таких расходомеров, а на рис. 177, б — зависимость на пряжения на электродах от времени. Время одного цикла Т = 320 мс (1/8 Гц). При отсутствии магнитного поля напряжение на элект родах, определяемое гальваническим потенциалом, равно 1/р. При включенном поле и достижении полной индукции £ тах к напря жению (Ур добавляется полезный сигнал С/. Время существования индукции Втах, как и полного ее отсутствия, обозначено через k. Электроды подключаются к измерительной схеме дважды на вре мя М 1 и М 2, равное 40 мс. За время М г измеряется сумма U + Йр, а за время М 2 только Нр. Запоминающая схема позволяет произ вести вычитание последнего сигнала из первой суммы так, чтобы
311