Метрологическое обеспечение измерительных систем (стр. 18 )

Выше рассмотренными методами имитируется только информативная компонента сигнала расходомера, без различного рода электромагнитных помех, сопутствующих информативной компоненте сигнала при эксплуатации прибора.

Характеристики электромагнитных помех и их источники существенно зависят от условий эксплуатации приборов, физических свойств измеряемого потока и элементной базы, использованной в приборе. Поскольку электромагнитные расходомеры применяются весьма широко (в промышленности, сельском хозяйстве и при научных исследованиях и т. п.) условия их эксплуатации и, следовательно, различные ситуации режимов измерений – чрезвычайно разнообразны.

Разность потенциалов на электродах связана с током питания индуктора следующей зависимостью

, (5)

где – коэффициент взаимоиндуктивности между катушкой возбуждения индуктора и измерительной цепью, обуславливающий так называемый “сигнал квадратурной помехи”, – сторонние источники сигнала помехи, γ – помехи в канале преобразования сигнала.

В правой части выражения (5) первый член характеризует информативную компоненту, а остальные члены – помехи различного происхождения. Все помехи могут быть разделены на две группы.

К первой относятся помехи, которые проявляются при наличии магнитного поля возбуждения (мультипликативные) – эти помехи вызваны флюктуациями скорости потока и дисперсностью измеряемой среды. Ко второй группе – помехи от сторонних источников (аддитивные).

Первая группа помех определяется выражением

(6)

где G – объемная весовая функция; – флюктуации скорости потока; σ(t) – электропроводность измеряемой среды; r - радиус-вектор.

Первый член уравнения (6) характеризует сигнал, вызванный турбулентными пульсациями потока, второй и третий члены правой части уравнения характеризуют помехи, обусловленные дисперсностью среды (соответственно синфазная и квадратурная). Основной частотный спектр крупномасштабных пульсаций, вызванных турбулентностью потока, находится в диапазоне (3-1000) Гц. Амплитуда может достигать (2-12)% от информативной компоненты сигнала и существенно зависит от числа Рейнольдса. Частотный спектр сигнала помехи, вызванной неоднородностями в измеряемой среде, определяется размерами и количеством частиц твердой фазы и пузырьков газа в потоке, а также скоростью движения частиц. По опытным данным частотный диапазон этого сигнала составляет (10-5×103) Гц. Амплитуда может достигать (5-10) % от информативной компоненты сигнала. Это весьма грубая оценка помех, их частотный спектр и соотношение различны и зависят от диаметра трубопровода, состава измеряемой среды, гидродинамической характеристики потока и т. п. Причинами возникновения мультипликативных помех являются также:

– амплитудные флюктуации в цепи питания,

– флюктуации магнитного поля,

– шумы в электронных приборах.

Ко второй группе помех относятся сигналы, не связанные с магнитным полем. Среди них наиболее существенной помехой является напряжение, вызванное поляризацией электродов. Оно обусловлено электрохимическими реакциями такими, как:

– установлением равновесия между ионами металлической решетки электрода и аналогичными ионами в жидкости (напряжение равновесий ионов металлического электрода);

– окислительно-восстановительными реакциями при перезаряде ионов измеряемой среды;

– образованием равновесия в окисной пленке металла электрода;

– образованием пузырьков газа водорода и кислорода на электродах и т. п.

Разность потенциалов поляризации электродов может достигать (100-200) мВ, а в отдельных случаях и более. Поскольку процесс поляризации сопровождается в той или иной мере перемещением ионов, то его частотный спектр может быть чрезвычайно низким и находится в пределах (10–3–10) Гц.

Сторонние электрические сигналы, воспринимаемые электродами, могут быть следующими:

– индустриальные помехи различного рода, в том числе помехи от промышленной сети 50 Гц и ее производные (2-5-й гармоники),

– “земляные” токи,

– одиночные импульсы,

– термо-ЭДС электродов,

– тепловые шумы в жидкости и во входных каскадах измерительного устройства и т. д.

Характеристики помеховых сигналов определены на основе многолетнего опыта по разработке и эксплуатации электромагнитных расходомеров в различных отраслях промышленности.

Моделирование помех не вызывает принципиальных трудностей, однако требует специальной разработки аппаратной и программной части имитационной модели, а также комплекса нормативно - методических документов.

Следует отметить, что одновременное присутствие всех видов помех вряд ли реально. Обычно состав помех и их уровень существенно зависит от условий эксплуатации, конструкции и типоразмера прибора.

Чем выше чувствительность прибора, тем проще отделить информативную компоненту сигнала от помех различной природы, а значит повысить надежность измерений расхода. Однако это приводит к увеличению габаритных размеров первичного преобразователя расхода и потреблению им энергии для создания магнитного поля.

Применением современной элементной базы и программных средств обработки сигналов в настоящее время достигается удовлетворительное измерение расхода при весьма невысокой чувствительности первичного преобразовамкВ×с/м.

Последние годы основное внимание разработчиков обращено к повышению помехозащищенности прибора, поскольку она является определяющим фактором надежности прибора. Достигается все более и более высокая точность измерений расхода (0,5-0,2)%, расширяется диапазон измерения до 1/500 – 1/1000[3], улучшаются динамические характеристики расходомера, его надежность.

Характеристика помехозащищенности прибора существенно зависит от выбранной схемы измерений, применяемой элементной базы, алгоритма обработки сигналов и программного обеспечения прибора.

Таким образом, даже на одном макете расходомера можно провести исследования практически всех влияющих факторов в самом широком масштабе их изменений.

Имитационное моделирование обеспечивает следующие преимущества:

а)  неограниченный диапазон имитируемых расходов;

б) исследование приборов с диаметрами каналов от малых значений (порядка нескольких мм) до неограниченно больших (до 2000 мм и более);

в) высокую точность средств исследования и поверки;

г) возможность исследований приборов при максимально приближенных условиях испытаний к реальным условиям эксплуатации:

– моделирование потока жидкости в широком диапазоне физических свойств (вязкости, плотности, температуры и т. п.);

– моделирование неоднородности состава измеряемой среды: дисперсности, многофазности;

– моделирование потоков с различной кинематической структурой, при любых числах Re, при осенесимметричных распределениях скорости, а также с различными уровнями и частотным спектром пульсаций;

– моделирование помех различной природы: тепловой шум, электромагнитные помехи промышленной сети, радиочастотные помехи, одиночные импульсы, механические вибрации, гидравлические удары и т. п.;

д) возможность поверки приборов как на месте их эксплуатации, так и в условиях поверочной лаборатории;

е) высокую производительность метрологических средств, полную автоматизацию обработки результатов исследований, протоколирования и ведения архива;

ж) портативность комплекса средств имитационной поверки (небольшие габариты, вес и потребляемая мощность);

К тому же с помощью имитационного моделирования возможно проведение исследований электромагнитных расходомеров существенно проще, чем в натурных условиях.

В заключение следует отметить, что при исследованиях новых моделей приборов широкое применение средств имитационного моделирования в сочетании с проливными расходомерными установками позволит создать совершенные электромагнитные расходомеры самого различного назначения.

Темпы развития методов моделирования не соответствуют современным задачам. Развивать имитационные методы моделирования необходимо сообща, всем организациям и фирмам, разрабатывающим электромагнитные расходомеры.

В разработку имитационных методов вкладывать больше финансовых средств и привлекать наиболее подготовленных и перспективных специалистов.

ГНЦ “НИИТеплоприбор” разработал установку “Поток-Т” для имитационной поверки электромагнитных расходомеров, счетчиков объема и теплосчетчиков.

Размещаемая на столе и не требующая специального обслуживания установка позволяет поверять приборы с диаметрами условного прохода от 01.01.01 мм и расходами от 0 до 350000 м3/ч. Установка состоит из набора преобразователей магнитного поля, ПЭВМ, интерфейсной платы, содержащей аналого-цифровой преобразователь, и согласующего блока. Пределы допускаемой погрешности установки ±0,17%, что позволяет поверять приборы класса 0,5, а при использовании специальной методики – класса 0,2. В настоящее время установка “Поток-Т” предназначена для поверки расходомеров и теплосчетчиков типов РОСТ, СТЭМ, ИР-45, ТС-45, SA-94, ТЭМ-05, КМ-5, SKM и др. с диаметрами 25-300 мм, а также приборов с диаметрами каналов до 4000 мм с электромагнитными преобразователями локальной скорости потока. В настоящее время активно ведутся работы и накапливается соответствующий статистический материал по применению установки для поверки расходомеров с Ду до 1000 мм фирм Krohne, Endres+Hauser, Fischer & Porter, Danfoss и др.

Имитационная установка “Поток-Т” применима для первичной и периодической поверок, она зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений России под № 000-01.

Литература

1. Bevir M. K. Theory of Induced Voltage Electromagnetic Flowmeasurement. – IEEE Trans. Magn., 1970, 6, № 2.

2. Вельт И. Д., Михайлова  моделирование электромагнитных расходомеров. Приборы и системы управления, 1997, №11. – С. 28.