Электромагнитный метод измерения расхода жидкости

Известно, что в движущемся потоке, пересекающем силовые линии магнитного поля, индуктируется электродвижущая сила (рис.4.82), величина которой пропорциональна расходу, и определяется по формуле: E=Blv,

где Е-индуктируемая в проводнике ЭДС;

В-магнитная индукция;

l-длина проводника;

v-скорость движения проводника.

 

 

 

В случае измерения расхода жидкости можно записать: E=Bdv_ср,, где d-внутренний диаметр трубопровода; V_ср-средняя скорость протекания жидкости через поперечное сечение трубы в зоне индуктируемой ЭДС. Проводимость жидкости должна быть не ниже от 10^-5 до 10^-6См/м, что соответствует проводимости водопроводной воды. Трубопровод с перемещающейся в нем жидкостью помещен в магнитное поле. Трубопровод изготавливается из изоляционного материала, чтобы предохранить индуктирующуюся в жидкости ЭДС от закорачивания через стенки трубы. Для этой цели используется фторопласт, эбонит, резина и другие материалы в зависимости от свойств измеряемой жидкости. В стенки трубопровода диаметрально противоположно в одном поперечном сечении вводятся электроды. К электродам подключается какой-либо высокочувствительный измерительный прибор, шкала которого градуируется в единицах скорости или в единицах расхода. Измерительный прибор выбирается с большим входным сопротивлением [3].

Расходомеры электромагнитные серии Rosemount 8700 (рис.4.83) позволяют измерять расход электропроводных жидкостей, имеющих минимальную электропроводность 5·10^-4 См/м (для расходомера с датчиком 8707 минимальная электропроводность 5·10^-3 См/м). Расходомеры данной серии выпускаются с диаметром условного прохода от 4 до 900 мм. Пределы основной относительной погрешности до ±0,25% (опция ±0,15%). Давление измеряемой среды 0,05…4,00 МПа. Выходные сигналы: 4-20 мА, HART, частотно-импульсный, Foundation

Fieldbus. Наличие взрывозащищенного исполнения. Фланцевые и бесфланцевые модели. Интегральный или удаленный (до 300 м) монтаж преобразователя. Диапазон измерения при скоростях 0,012 – 12 м/с составляет 0,0004-26662 м³/ч.

ПГ «Метран», г. Челябинск.

 

 

Рис. 4.83. Расходомер электромагнитный серии Rosemount 8700

 

4.3.6. Вихревые расходомеры

 

Принцип действия вихревых расходомеров основывается на явлении вихревого следа, известного как эффект Кармана. Когда жидкость обтекает тело, поток разделяется и образует завихрения, которые следуют попеременно позади вдоль каждой стороны тела обтекания (Рис. 4.84-4.86). Вихри являются причиной возникновения зон флуктуации давления, которые улавливаются чувствительным элементом. Частота генерации вихрей прямо пропорциональна скорости жидкости. Выходной сигнал вихревого расходомера зависит от К-фактора. К-фактор – отношение частоты генерируемых вихрей к скорости жидкости [14]:

V=ω/K,

где V – скорость жидкости, ω - частота вихрей, К – К-фактор. К - фактор изменяется с числом Рейнольдса, но он фактически постоянен в широком диапазоне.

 

Рис. 4.84. Характер потока

 

Вихревые расходомеры обеспечивают высокую точность расходов, когда работают внутри этого линейного участка. Вихревой принцип хорош тем, что он позволяет измерять расход жидкости, газа, пара. Однако имеется ограничение для жидкостей. Их вязкость должна быть не более 2 сСт [14].

Известны различные конструкции вихревых приборов, различающихся принципом съема сигнала. Это расходомеры со съемом сигнала по пульсациям давления за телом обтекания, по изгибным напряжениям тела обтекания или специального элемента, с электромагнитным съемом сигнала, с термоанемометрическим принципом съема сигнала, а также с акустическим [14].

 

 

Рис.4.85. Схема вихревого расходомера

 

Рис. 4.86. Образование завихрений

 

Интеллектуальный вихревой расходомер Rosemount 8800D позволяет измерять расход таких сред как газ, пар, жидкость. Диаметр условного прохода трубопровода Dу может составлять 15, 25, 40, 50, 80, 100, 150, 200, 250, 300 мм. Избыточное давление измеряемой среды до 25 МПа. Выходные сигналы: от 4 до 20 мА с цифровым сигналом на базе HART - протокола; частотно-импульсный с перенастраиваемой ценой и длительностью импульсов; Foundation fieldbus (FF). Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерений расхода [6]:

- по цифровому и импульсному выходу:

для жидкости ±0,65%,

для пара, газа ±1,35%;

- по токовому выходу:

дополнительно ±0,025% от диапазона

Нестабильность ±0,1% от расхода в течение 12 меcяцев.

ПГ «Метран», г. Челябинск.

4.3.7. Ультразвуковые расходомеры

 

В настоящее время наиболее перспективными являются методы измерения с использованием акустических волн. Применение расходомеров с накладными ультразвуковыми преобразователями обеспечивает значительную экономию затрат. Кроме того, расходомеры с накладными ультразвуковыми преобразователями позволяют проводить измерение расхода жидкости, протекающей в чугунных, пластмассовых, стеклянных трубопроводах, где применение врезных расходомеров существенно затруднено [15].

Принцип действия существующих в настоящее время расходомеров с накладными ультразвуковыми преобразователями базируется на трех различных методах измерения скорости потока: корреляционном, с использованием эффекта Доплера, время–импульсном [15].

Корреляционный метод основан на измерении скорости движения неоднородностей потока: турбулентных вихрей, а также газообразных и твердых включений путем выделения среднего временного интервала, необходимого для преодоления этими неоднородностями расстояния между двумя парами «излучатель – приемник ультразвука», расположенными на известном расстоянии друг от друга. Ультразвуковые колебания распространяются перпендикулярно оси потока [15]. Корреляционное решение используется там, где наиболее традиционные расходомеры не могут работать хорошо или могут быть повреждены. Необходимое требование состоит в том, чтобы процесс обладал произвольно изменяющимся параметром, таким как температура, проводимость, нерегулярность, электрический заряд, диэлектрическая проницаемость или плотность. В идеале, локальные значения этого параметра в окрестностях сенсоров не должны сильно различаться. В противном случае сенсоры будут генерировать одинаковые случайные сигналы сдвинутые друг относительно друга во времени (рис. 4.87 – 4.88) [16].

 

 

Рис. 4.87. Расположение сенсоров.

 

Рис. 4.88. Выходные сигналы сенсоров.

При процедуре корреляции сигналов v_a и v_b пик в корреляционной функции , возникает в том месте, где переменная t равна времени пути Т между сенсорами (рис. 4.89).

 

Рис. 4.89. Диаграмма взаимной корреляции сигналов v_a и v_b

 

Скорость определяется отношением L/T. Чембольше величины T и L, тем более точную оценку скорости потока можно сделать. Однако при этом высота корреляционного пика снижается, поскольку уменьшается корреляция между сигналами двух сенсоров, что устанавливает предел на расстояние между ними.

Метод, основанный на использовании эффекта Доплера. Этот метод основан на известном в физике эффекте Доплера – изменении частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта [15]. Сигнал известной частоты распространяется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твердых частиц, пузырьков воздуха, локальных различий в плотностях и температурах среды. Чем больше инородных включений в жидкой среде, тем уже полоса частот информативного отраженного и принимаемого сигнала, что обеспечивает более высокую точность измерения скорости движения инородных включений. Частота отраженного ультразвукового сигнала сравнивается с частотой исходного сигнала (частотой излучателя) и вычисляется разница этих частот, которая в дальнейшем используется для определения скорости потока и расхода жидкости [15].

Время – импульсный метод основан на разности скоростей распространения ультразвуковых колебаний вдоль направления движения потока жидкости и навстречу ему. Ультразвуковые колебания, проходящие сквозь среду в направлении движения потока, достигают приемника быстрее, чем ультразвуковые колебания, проходящие сквозь среду навстречу движению потока. Измеряя разницу скоростей распространения ультрозвуковых колебаний вдоль направления движения потока и навстречу потоку жидкости, можно определить скорость движения жидкой среды и вычислить ее расход [15] (рис. 4.90). При скорости ультразвука с длительность прохождения импульса в неподвижной жидкости, находящейся в трубопроводе, составит

,

где l – расстояние между излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний.

 

 

 

 

Рис. 4.90. Принцип измерения величины расхода

время-импульсным ультразвуковым расходомером

:

 

Откуда разность времен прохождения импульсов по потоку и против потока, учитывая, что .

 

Достоинства ультрозвуковых расходомеров:

ü ультразвуковые расходомеры не создают препятствий для потока, и, как следствие этого, падения давления в трубопроводе малы;

ü не имеют движущихся частей;

ü обладают возможностью достижения высокой точности измерений и высоким быстродействием.

Недостатки:

ü методические ограничения (влияние пузырьков, механических частиц, приводящих к возможности засора излучателя и приемника, находящихся внутри трубопровода);

ü для трубопроводов с внешними пьезоэлементами трубопровод создает повышенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубопровода, что снижает чувствительность преобразователей.

 

4.3.8. Кориолисовые (массовые) расходомеры

 

Сила Кориолиса – одна из сил инерции, существующая в неинерциальной (вращающейся) системе отсчета из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения.

Ускорение Кориолиса было получено Кориолисом в 1833 г. Причина появления силы Кориолиса – в кориолисовом (поворотном) ускорении. Чтобы тело двигалось с кориолисовым ускорением, необходимо приложение силы к телу , где – кориолисово ускорение. Эффект, учитываемый Кориолисовой силой, состоит в том, что во вращающейся системе отсчета материальная точка, движущаяся не параллельно оси этого вращения, отклоняется по направлению, перпендикулярному к ее относительной скорости, или оказывает давление на тело, препятствующее такому отклонению.

Кориолисовы расходомеры, как правило, используют U-образную трубку малого сопротивления в качестве сенсора (датчики расхода) и их работа основана на втором законе Ньютона. Внутри корпуса сенсора находится сенсорная трубка, которая приводится в движение управляющей электромагнитной катушкой, расположенной в центре изгиба трубки, и вибрирует подобно камертону (без каких-либо искривлений в случае отсутствия расхода). При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса, воздействующей со стороны жидкости на трубку (рис.4.91-4.93). Эта сила направлена против движения трубки, приданного ей задающей катушкой, т.е. когда трубка движется вверх во время половины ее собственного цикла, то для жидкости, втекающей внутрь, сила Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине трубки сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а во входной – способствует. Это является причиной того, что сенсорная трубка изгибается. Когда во второй фазе вибрационного цикла трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное. Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости. Электромагнитные детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки [14]. Когда расхода измеряемой среды нет, то не возникает и изгиб трубки, в результате чего отсутствует временная разница между двумя сигналами детекторов. Наряду с наиболее распространенной двойной петли и т.д. Кориолисовы расходомеры массы вполне подходят для одновременного дозирования и для точных измерений в широком диапазоне расхода [14].

 

 

Рис.4.91. Силы действующие на первичный преобразователь

кориолисова расходомера

 

 

 

 

Электро-магнитный датчик В

Электро-магнитный датчик А

Устройство вывода сигнала

 

 

 

 

Рис. 4.93. Кориолисовый расходомер

 

Micro Motion, модели: Basis, Д, Elite. Массовый расходомер предназначен для измерения массового расхода газа, жидкости, эмульсии, суспензии, взвеси, нефти, мазута, битума, гудрона и т.д. Выход: (4-20)mA/HART, цифровой в стандарте Bell 202; условия измерения: Т_среды (-240 ¸ 426) ^оС, Р_труб (4¸40) МПа, Д_у – до 150 мм; диапазон измерения (0-272150) кг/ч; Исполнение взрывозащищенное, k = 0.1.

Производитель: ПГ «Метран», г. Челябинск.