Конспект лекций по курсу «Промышленная автоматика» (стр. 9 )

Дифференциальная схема обработки сигнала позволяет существенно снизить влияние внешних источников вибрации за счет взаимоподавления шумов, приходящих с разных емкостей. Несмотря на невозможность изготовления абсолютно идентичных конденсационных ячеек, способных полностью исключить влияние вибрации, виброустойчивать вихревых расходомеров с емкостным способом съема сигнала достаточно высокая (порядка 1g).

Другим преимуществом таких расходомеров является возможность работы на высоких температурах до 400?С. С ростом температуры изменяются диэлектрическая проницаемость и геометрия электродов, а также растут токи утечки за счет температурной эмиссии электронов. Однако эксперименты показывают, что описанные эффекты практически не влияют на работу приборов.

3. Термальные вихревые расходомеры

Под действием вихря изменяется температура нагревательного элемента, а следовательно и его сопротивление. Такие расходомеры отличаются высокой чувствительностью, и высокой устойчивостью к вибрациям. При этом область их применения обычно ограничивается некоррозионными газами и чистыми жидкостями.

4. Вихреакустические расходомеры

Принцип действия вихреакустических расходомеров показан на рис.:

Как видно из рис., для детектирования вихрей используются пары излучатель-приемник (одна или две), установленные в стенки корпуса прибора. При этом излучатели постоянно излучают высокочастотные акустические сигналы, пересекающиеся в центре проточной части.

Каждый из чередующихся вихрей отличается направлением вращения от предыдущего. При пересечении с вихрем, происходит модуляция ультразвуковой волны по фазе, которая фиксируется приемниками сигнала, преобразовывается в электрический сигнал и обрабатывается.

Приборы отличаются высокой чувствительностью, что позволяет их использовать для измерений на низких расходах. При этом зависимость точности измерений от температуры среды (особенно для газов) и влияние механических и газовых включений на процесс измерений, ограничили область использования вихреакустических расходомеров, сузив ее до чистых жидкостей и небольшого числа разновидностей газов.

5. Вихревые электромагнитные

Особенности конструкции вихревых расходомеров с электромагнитным съемом сигнала представлен на рис.:

При движении электропроводной жидкости (проводника) в поле постоянного магнита наводится ЭДС. Вихри создают возмущение или пульсации ЭДС, которые фиксируются электродом, установленным за телом обтекания. Частота пульсаций ЭДС соответствует частоте вихреобразования.

Такие расходомеры отличаются простой конструкции, возможностью автономного батарейного питания, низкой стоимостью, возможностью проведения имитационной поверки.

При этом приборы склонны к образованию отложений в проточной части вблизи магнита, имеют нестабильные метрологические характеристика и могут работать только в электропроводных средах.

Электромагнитные расходомеры

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в проводнике, движущемся в магнитном поле, наводится ЭДС. В магнито – индуктивном методе измерения расхода роль движущегося проводника играет поток среды. Индуцируемое напряжение, пропорциональное скорости потока, подается на усилитель через пару электродов. Объемный расход вычисляется через площадь поперечного сечения трубопровода. Магнитное поле генерируется постоянным током с переключающейся полярностью.

На этом принципе действия ЭМРС и производятся э/м расходомеры. При движении жидкости в магнитном поле в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) Е, пропорциональная магнитной индукции В и скорости проводника V, которая действует в направлении, перпендикулярном к движению жидкости и магнитному полю (рис. 2):

В алгебраической форме уравнение (1) приобретет вид:

где D — диаметр трубопровода — расстояние между электродами.

Скорость измеряемой среды определяется зависимостью:

где Q — расход измеряемой среды.

Из выражения (2) и (3) получим зависимость между измерительным сигналом Е и расходом Q:

где ke— коэффициент пропорциональности, который определяют в процессе калибрования [3].

Из выражения (4) видно, что погрешность электромагнитного преобра зователя может определяться величиной ke и измерением разности потенциалов Е.

Для измерения сред с электронной проводимостью, к которым относятся расплавленные редкие металлы, применяют ЭМРС с постоянным магнитным полем. К преимуществам таких расходомеров можно отнести отсутствие необходимости в источнике питания чувствительных элементов и легкость устранения влияний внешних переменных электромагнитных полей. Основным недостатком таких систем является невозможность применения данного метода для измерения расхода сред с ионной проводимостью, в этом случае происходит поляризация электродов, которая приводит к нарушению градуировки прибора и стабильности его работы [4].

Для предотвращения поляризации электродов применяют переменные магнитные поля. Индукция такого поля определяется формулой:

Учитывая выражение (5), зависимость (4) приобретет вид:

В ЭМРС с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует, однако проявляются другие недостатки при измерении [5]:

трансформаторный эффект, когда в витке, который образовывает жидкость в трубопроводе, между соединительными проводами и вторичными приборами наводится трансформаторная ЭДС, источник возникновения которой — первичная обмотка возбуждения магнитного поля;

емкостный эффект, возникает из-за большой разности потенциалов между системами возбуждения магнитного поля, электродами и паразитной емкостью между ними;

эффект изменения частоты колебаний тока системы возбуждения возбуждения магнитного поля.

Для компенсации этих побочных эффектов и выделения полезного сигнала совершенствуют измерительные схемы. Если первые электромагнитные расходомеры использовали переменное магнитное поле сетевой (50/60 Гц) частоты, то в последнее время применяют квазистационарные магнитные поля сравнительно низкой частоты (единицы Гц), что позволяет избавиться от неинформативных квадратурных компонентов в измерительном сигнале. Причем, верхняя частота формирования импульсного поля ограничена потерями на индукционные токи и постоянной времени установления магнитного поля, а нижняя — временем поляризации электродов [6].

Принцип измерения также определяет и недостатки данного метода [7]:

• величина ЭДС сильно зависит от влияния дополнительных факторов (изменение электрических характеристик поверхности изолирующего покрытия в трубе, отложение осадков, адсорбционные явления, неисправности в измерительных цепях и т. п.);

• величина ЭДС имела по значению от нескольких микровольт, в связи с чем ее сложно измерить;

• электрические схемы создания магнитного поля, электроника для измерения довольно сложны и дорогостоящи;

• измеряются расходы только электропроводных жидкостей;

• измеряются амплитудные характеристики сигнала.

Особенности применения электромагнитного метода измерения расхода

Обычно ЭМРС состоят из:

• измерительного участка, выполненного из диамагнитного материала с внутренним изоляционным покрытием и футеровкой [8];

• магнитной системы, расположенной вне трубопровода;

• электродов, размещенных по периметру трубопровода, на его диаметре, перпендикулярно направлению движения жидкости и силовым линиям магнитного поля.

Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, которые выступают внутрь трубопровода, сужений или изменений профиля. Благодаря этому гидравлические потери на приборе минимальны. Кроме того, преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Поэтому такие расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленностях, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды.

Измерительные каналы большинства современных ЭМРС имеют в основном фторопластовую футеровку, которая является важным элементом конструкции первичных преобразователей. Материал футеровки определяет как технические (стабильность температур и давлений измеряемой среды на измерительном участке), так и эксплуатационные характеристики (надежность, долговечность). В качестве изоляционного покрытия применяется: твердая резина, полиэтилены, полипропилены, эмаль, стекловолокно, фторопласты, в том числе армированные сеткой из нержавеющей стали для повышения прочности, керамика и т. п. [6].

Электродная система — важный узел ЭМРС, чувствительная система, которая измеряет величину ЭДС на электродах, связанную зависимостью со средней скоростью потока. Электроды изготавливают из разных металлов, которые имеют высокую коррозийную стойкость к измеряемой среде: включающие никель аустенитные стали, разнообразные сплавы.

Вследствие термоударов, вакуумирования и т. п. существует возможность вытекания рабочей среды по электродам. Кардинальное решение проблем утечки измеряемых сред сквозь элементы электродов — это отказ от контакта со средой и переход к бесконтактному (емкостному) принципу снятия сигнала, который позволяет не только избежать утечки по электродам, но и исключить их коррозию, а также измерять расход жидкостей с низкой электропроводностью. К недостаткам такой конструкции можно отнести более высокую погрешность измерения, менее стойкий измерительный сигнал и ограниченный ряд Ду первичных преобразователей с проточной частью, выполненной из керамики.