Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры ADMAG пред­назначены для измерения объема и расхода электропроводящей жидкости. Высокая точность приборов позволяет применять их на учетно-расчетных операциях и в качестве ра­бочих эталонов на проливных установках.

закрыть
Описание

Принцип работы электромагнитного расходомера основан на законе электромагнитной индукции: в электропроводной жидкости, движущейся в магнитном поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) пропорциональная скорости, следовательно, и расходу жидкости. Неоспоримые достоинства электромагнитных расходомеров — отсутствие гидродинамического сопротивления, отсутствие подвижных механических элементов, высокая точность, быстродействие — определили их широкое распространение.

Принцип измерения

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ (ИНДУКЦИОННЫЙ) ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА:

Электромагнитный (индукционный) принцип измерения основан на явлении электромагнитной индукции. В проводнике, движущемся в магнитном поле в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля, возникает электродвижущая сила в направлении, перпендикуляр­ном и направлению перемещения проводника, и направлению магнитного поля. Величина этой электродвижущей силы пропорциональна скорости перемещения проводника и величине магнитной индукции. Поэтому при движении электропроводной жидкости в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, направленная перпендикулярно полю и направлению потока, пропорциональная их произведению.

E = V•B•L,                             (1)

где    E – электродвижущая сила, В;
           V – скорость потока, м/с;
           B – индукция магнитного поля, Тл;
           L – длина проводника, в данном случае равна расстоянию между электродами, т. е. внутреннему диаметру D, м.

С учетом выражения для объемного расхода:

 Q = (π•D2/4) V,                      (2)

выражение (1) можно представить в следующем виде:

 Q = E (π•D/4•B).                     (3)

Таким образом, при постоянной величине индукции магнитного поля В наведенная ЭДС Е пропорцио­нальна расходу среды, что позволяет определять расход путем измерения величины наведенной ЭДС.

ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ:

Данный принцип действия обеспечивает электромагнитным расходомерам следующие преимущества:

• широкий диапазон измерения и перенастройки шкалы, а также высокую точность измерения (погрешность электромагнитных расходомеров, как правило, не более ± 0,5% измеряемой величины) благодаря линейной зависимости между расходом Q (ско­ростью потока V) и наводи­мой электродвижущей силой Е;
• отсутствие механически движущихся частей, соответственно –  длительный срок службы оборудования и минимальное техническое обслуживание;
• свободное поперечное сечение измерительной трубы – отсутствие потерь давления;
• возможность измерения расхода в прямом/обратном направлении, т. к. в этом случае изменяется только знак величины ЭДС, а не ее значение;
• минимальное влияние плотности, вязкости и температуры среды на результаты измерений.

Все эти достоинства в совокупности с относительно невысокой стоимостью и минимальными затратами на эксплуатацию делают данные расходомеры технически и экономически оптимальным решением для широкого круга задач измерения расхода.

ОГРАНИЧЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ:

Однако у данного принципа есть одно ограничение: среда должна быть электропроводной. На сегодняшний день минимально допустимое значение удельной электропроводности среды находится в пределах 0,01…50 мкСм/см в зависимости от модели расходомера. Таким образом, электромагнитные расходомеры не предназначены для измерения расхода неэлектропроводных сред (например, углеводородов: бензин, керосин и т. д.) и газообразных сред.

Кроме того, данный принцип предназначен для измерения объемного расхода, поэтому не рекомендуется использовать его при наличии в среде нерастворенного газа (пузырьков воздуха), т. к. газ занимает часть объема трубопровода, что приводит к завышению показаний расходомера.

Конструктивные особенности

ВИДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ:

По способу монтажа в трубопроводах электромагнитные расходомеры делятся на:
• полнопроточные;
• погружные.

Электромагнитные расходомеры серии Admag производства Yokogawa являются полнопроточными расходомерами.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ СЕРИИ ADMAG:

Расходомеры серии Admag конструктивно состоят из:
• проточной части (первичный преобразователь);
• электронного блока (вторичный преобразователь).

Первичный преобразователь состоит из следующих основных элементов:
• измерительная труба из немагнитной стали с футеровкой из неэлектропроводных материалов;
• катушка возбуждения;
• электроды;
• кольца заземления.

ФУТЕРОВКА:
В расходомерах серии ADMAG в качестве материалов футеровок используются:
• фторопласт PFA;
• полиуретан;
• керамика на основе Al2O3 (99,9%).

Область применения футеровок при измерении расхода различных сред определяется свойствами материалов футеровок (см. "Рекомендации по выбору расходомеров").

Фторопласт PFA

В отличие от фторопласта PTFE, который традиционно используется в качестве материала футеровки расходомеров, свойства фторопласта PFA позволяют формировать футеровку методом литья под давлением непосредственно в измерительную трубу.

Футеровка из фторопласта PTFE (так называемый "чулок"), получаемая методом экструзии PTFE-пасты (смесь PTFE-порошка и масла), просто вставляется в измерительную трубу и приклеивается. Данная конструкция имеет ряд недостатков:
в связи с тем, что футеровка из PTFE клеится к измерительной трубе, при разрежении в трубе и высоких температурах происходит ее деформация и отслаивание;

электроды вставляются изнутри измерительной трубы и часть электрода выступает в проточную часть. Это может привести к сокращению их срока службы за счет истирания в условиях измерения абразивных жидкостей;
между электродом и футеровкой есть небольшой зазор (порядка 0,5 мм), что часто приводит к протечкам с дальнейшим повреждением изоляции электродов и выходом расходомера из строя;
т. к. футеровка просто вставляется в измерительную трубу, для обеспечения герметичности на входе и выходе в расходомер она изгибается. При приложении механических нагрузок (например, затяжке болтов при монтаже) это приводит к возникновению трещин в месте изгиба, и, соответственно, утечек.

Формирование футеровки из фторопласта PFA методом литья под давлением позволяет избежать всех недостатков, присущих футеровке из PТFE, и, кроме того, делает возможным армирование футеровки металлической перфорированной лентой. Данная конструкция увеличивает механическую прочность футеровки, что предотвращает ее деформацию и отслаивание при высоких температурах и разрежении в трубопроводе, вплоть до полного вакуума.

Благодаря отличным эксплуатационным характеристикам фторопласта PFA и удачной конструкции футеровки расходомеры серии ADMAG нашли широкое применение при измерении расхода общетехнических агрессивных сред (кислоты, щелочи и т. п.), в т. ч. высокоабразивных, а также при высоких температурах измеряемой среды.

Полиуретан

Полиуретановая футеровка по конструкции и технологии изготовления аналогична футеровке из фторопласта PFA. Полиуретан обладает высокой износостойкостью, но низкой температурной и коррозионной стойкостью. Поэтому полиуретановая футеровка применяется для нейтральных абразивных сред с невысокой температурой (-10...40°С).

Керамика

Футеровка из керамики на основе Al2O3 используется для более сложных применений, например, при измерении расхода абразивно-агрессивных сред, абразивных сред при высоких температурах или адгезионных сред. В электромагнитных расходомерах ADMAG применяется керамика с высоким содержанием Al2O3 – 99,9%, в то время как традиционно применяется футеровка из керамики, содержащей 99,7% Al2O3. Даже столь небольшое, на первый взгляд, повышение чистоты материала футеровки приводит к значительному повышению ее коррозионной стойкости, что подтверждается результатами испытаний, представленными ниже.

Скорость коррозии
Материалы Условия испытания
20% HCl 95 °C 30% NaOH 95 °C
99,7% Аl2O3 0,075 мм/год 0,112 мм/год
99,9% Аl2O3 0,047 мм/год 0,084 мм/год

ЭЛЕКТРОДЫ:

Электроды в электромагнитных расходомерах предназначены для измерения наведенной ЭДС в жидкости и должны обеспечивать надежный контакт с измеряемой средой. В тоже время они должны обладать достаточной коррозионной устойчивостью к измеряемой среде (более подробно см. приложение "Таблица коррозионной устойчивости материалов"). Поэтому среди материалов электродов широкое применение получили: нержавеющие стали, титан, платина, карбид вольф­рама, сплав Hastelloy, тантал.

В электромагнитных расходомерах ADMAG используется специальная конструкция электродного узла, что в сочетании с футеровкой, изготовленной методом литья, позволяет добиться максимальной защиты от протечек жидкости в отличие от традиционной конструкции электродов (см. рисунки выше).

Для футеровки из керамики в качестве материала электродов применяется платина. Обычно при изготовлении керамической футеровки используют цельный брусок платины, который вставляется в отверстие керамической футеровки, после чего производится совместная опрессовка и обжиг. В связи с тем, что коэффициенты температурного расширения у данных материалов различны, при эксплуатации возможно образование микротрещин в месте их сопряжения и, как следствие, утечек, что приводит к выходу расходомера из строя.

При изготовлении электродов для футеровки из керамики электромагнитных расходомеров ADMAG используется более совершенная технология: в местах расположения электродов к порошку Al2O3 добавляется платино-алюминиевый порошок, после чего производится опрессовка и обжиг. Так достигается полное отсутствие утечек через электрод, поскольку он составляет с футеровкой единое целое.

КОЛЬЦА ЗАЗЕМЛЕНИЯ:

При измерении расхода сред в пластиковых трубопроводах или трубопроводах с внутренней футеровкой для выравнивания потенциалов между корпусом расходомера и измеряемой средой используются кольца заземления. Кроме того, кольца заземления выполняют еще одну функцию: защищают края футеровки, выступающие на входе и выходе расходомера, от механических повреждений. Поэтому рекомендуется при заказе комплектовать расходомер кольцами заземления.

Конструктивно кольца заземления из нержавеющей стали, сплава Hastelloy C, титана изготавливаются в виде колец, а из тантала и платиноиридиевого сплава – ввиду дороговизны данных материалов – в виде электродов заземления.

 

При измерении расхода абразивных сред, как показывает практика, основной причиной выхода из строя расходомера является истирание футеровки на его входе и выходе. Поэтому для электромагнитных расходомеров ADMAG были разработаны специальные кольца заземления, защищаю­щие футеровку на входе и выходе прибора от исти­рания.

МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ:

В начале данной главы при рассмотрении теоретических основ электромагнитного принципа измере­ния расхода магнитное поле предполагалось постоянным. Однако, в реальных условиях эксплуатации, наряду с наведенной ЭДС индукции (полезным сигналом), между электродами будет возникать также и паразитная разность потенциалов – шумы, вызванные электрохимическим взаимодействием материала электродов и измеряемой среды, электромагнитными наводками. При этом уровень полезного сигнала составляет от нескольких мкВ до нескольких мВ, а уровень шумов – до 100 мВ и более. Поэтому в серийных электромагнитных расходомерах магнитное поле модулируется, чтобы разделить полезный сигнал и шумы. Существует три основных метода модуляции.

Модуляция переменным током

Впервые в электромагнитных расходомерах была реализована модуляция магнитного поля переменным током. В этом случае обмотки катушек возбуждения питаются синусоидальным электрическим током со стандартной промышленной частотой 50/60 Гц. Наведенная между электродами ЭДС также представляет собой синусоиду, сдвинутую по фазе на 90° относительно питающего напряжения.

Данный метод обеспечивает высокое быстродействие и стабильные измерения при большом содержании в среде нерастворенных частиц. Серьезным недостатком данного метода является низкая стабильность нуля вследствие возникновения помех, совпадающих по фазе с полезным сигналом, т. к. используется стандартное промышленное питание (50/60 Гц) и большая потребляемая мощность. В настоящее время данный вид модуляции практически не применяется.

Модуляция прямоугольными импульсами

Сегодня наибольшее распространение в электромагнитных расходомерах получила модуляция магнитного поля прямоугольными импульсами постоянного тока с разной полярностью частотой 1...25 Гц.

Данный метод обеспечивает хорошую стабильность нуля, но не применяется при измерении расхода сред с большим содержанием нерастворенных частиц, т. к. "пульповый" шум, возникающий при восстановлении окисного слоя металла электродов после соударения нерастворенных частиц с электродами, имеет максимальную амплитуду сигнала в области низких частот. Кроме того, данный метод обеспечивает невысокое быстродействие (время отклика порядка 0,5 с), что ограничивает применение приборов с данным методом в задачах, требующих быстрого отклика (процессы дозирования/наполнения, пульсирующие потоки и т. д.).

Двухчастотная модуляция

В конце прошлого века компанией YOKOGAWA был разработан и реализован двухчастотный метод модуляции. В настоящее время данный метод модуляции используется в расходомерах ADMAG AXF.
При таком методе магнитное поле модулируется прямоугольными импульсами тока с двумя различными частотами:
стандартный метод: 6,25/75 Гц;
расширенный метод: 6,25/160 Гц.

В связи с тем, что магнитное поле модулируется двумя опорными частотами – низкой и высокой, данный метод обладает преимуществами обоих описанных методов (переменным и постоянным током):
отличная стабильность нуля за счет низко­частотной составляющей сигнала;
малое время отклика (0,1 с) и великолепная помехоустойчивость при измерении расхода сред с большим содержанием не растворенных частиц (гидросмесей, суспензий и т. д.) за счет высокочастотной составляющей сигнала.

В таблице ниже приведена сравнительная оценка различных методов модуляции:

Способ модуляции  Стабильность нуля Устойчивость к шумам Время отклика  Потребляемая мощность
 Переменным током (50/70 Гц)  Плохая Отличная  ˜ 0,1 с  Большая
 Низкочастотными импульсами постоянного тока  Отличная Плохая  ˜ 0,5 с  Малая
 2-частотная модуляция  Отличная  Отличная  ˜ 0,1 с  Малая
Рекомендации по выбору

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ:

Долговечность, надежность и стабильность работы электромагнитного расходомера обеспечивается правильным выбором исполнения прибо­ра, а именно:
материалами конструкций, контактирующих с измеряемой средой,
методом модуляции магнитного поля, реализованным в конкретной модификации.

Главным ограничением по применению для электромагнитных расходомеров является электропроводность среды. Поэтому она должна быть больше, чем минимально допустимая электропроводность для данной модели электромагнитного расходомера (приведена в техническом описании прибора).

Для выбора модели и типоразмера расходомера, в общем случае, необходимы следующие данные:
параметры измеряемой среды (название, электропроводность, химический состав);
диапазон температур и давлений измеряемой среды;
при наличии  в среде нерастворенных частиц:
    – тип и размер частиц;
    – содержание (в процентах по массе).

Емкостные электромагнитные расходомеры разрабатывались специально для таких сложных применений, как:
измерение расхода сред с содержанием не растворенных частиц более 10% (масс.);
измерение расхода адгезионных (налипающих) и низкоэлектропроводных сред, а также высокоабразивных сред с высокой температурой (до 180 °С).

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ:

Материалы конструкций (футеровка, электроды и кольца заземления) выбираются с учетом коррозионных, абразивных и адгезионных свойств среды. Ниже приведены общие рекомендации по выбору материалов электродов и футеровки. Более подробные сведения о коррозионной устойчивости данных материалов приведены в приложении к данной главе.

Футеровка

Устойчивость

Материал

Полиуретан

Фторопласт PFA

Керамика

Натуральный каучук

Абразивная

Хорошая

Низкая

Практически не восприимчива

Высокая

Адгезионная

Хорошая

Хорошая¹

Отличная ¹

Хорошая

Коррозионная

Низкая

Отличная²

Оличная ³

Средняя

К деформации под влиянием температуры (макс. допустимая температура измеряемой среды)

Низкая 
(< 40 °C)

Высокая
(< 160 °C)

Высокая
(< 180 °C)

Средняя
(< 80 °C)

К деформации под влиянием избыточного давления/давления разряжения

Средняя/
высокая4

Высокая4

Практически не восприимчива

Средняя/высокая

¹ Рекомендуется дополнительная обработка (полировка) внутренней поверхности футеровки.
² Неустойчив к гидрооксиду натрия (каустическая сода), подвержен коррозии со стороны азотной, фтороводородной кислоты и фторидов.
³ Подвержена коррозии со стороны фторводородной, фосфорной кислот и сильных щелочей.
4) С армированием металлической перфорированной лентой.

 Электроды

Материал электродов

Применение

Нержавеющая сталь SUS316L

Некоррозионно-активные среды (чистая вода, сточные воды и т. д.). Не применяется для органических и неорганических кислот и хлоридов

Карбид вольфрама

Наилучшее применение для абразивных сред, не рекомендуется для хлоридов, серной и подобных кислот

Титан

Хлориды, сульфиды и щелочи. Не применяется для соляной, серной и подобных кислот

Платиноиридиевый сплав

Устойчив по многим коррозионно-активным веществам. Не применяется для солей аммония, "царской водки" и т. д.

Тантал

Устойчив по многим коррозионно-активным веществам. Не применяется для плавиковой кислоты, едкого натра (NaOH), концентрированной азотной кислоты

В таблице ниже приведены общие рекомендации по применению электромагнитных расходомеров с учетом особенностей конструкции, методов модуляции и применяемых материалов, контактирующих с измеряемой средой (электроды, футеровка).

Применение

Модель

ADMAG AXF

ADMAG CA

Общетехнические среды (вода и т. д.)

 

O

Общетехнические среды (кислоты, щелочи и т. д.)

 

O

Среды с содержанием нерастворимых частиц (суспензии, пульпы и т. д.)

O

 

Абразивные среды

O

 

Адгезионные среды

 

Низкоэлектропроводные среды

O

 

Пульсирующий поток

O

X

Процессы дозирования/наполнения

 

Измерения при меняющейся вязкости

 

O

     – наилучшее применение
 O – стандартное применение
 ∆ – применение возможно, зависит от условий измерений
X – не применяется

Емкостные электромагнитные расходомеры

Для решения таких сложных задач, как измерение расхода адгезионных, высокоабразивных сред, сред с содержанием нерастворенных частиц более 10% (масс.) и низкоэлектропроводных сред были специально разработаны электромагнитные расходомеры с емкостными (накладными) электродами.

В данных приборах в качестве материала футеровки используется керамика на основе Al2O3 и накладные электроды, не контактирующие с измеряемой средой, что делает возможным измерение адгезионных сред и сред с большим содержанием нерастворенных частиц. Кроме того, в таких расходомерах магнитное поле модулируется пря­моугольными импульсами с частотой 165 Гц. Это обеспечивает стабильность измерений при низкой электропроводности среды, т. к. сигнал помехи, возникающий при измерении низкоэлектропроводных среды, имеет максимальную амплитуду в области низких частот, и делает возможным измерение расхода сред с электропроводностью до 0,01 мкСм/см. Кроме того, данные приборы имеют усовершенствованный малошумящий усилитель со сверхвысоким входным сопротивлением и высокой стабильностью нуля.
При измерении расхода адгезионных сред следует иметь в виду, что погрешность емкостных расходомеров увеличивается с зарастанием (уменьшением) проходного сечения. В связи с этим, в зависимости от скорости зарастания, необходимо предусмотреть очистку расходомера от налипшего слоя.