Электромагнитные расходомеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Институт: Институт природных ресурсов

Направление подготовки: Нефтегазовое дело 21.03.01

Кафедра: Бурение нефтяных и газовых скважин

Реферат на тему:

«Электромагнитные расходомеры»

Выполнил студент гр. 2Б2В

Мельников Василий Викторович

Принял: Скороспешкин М.В.,

Доцент кафедры АиКС

Томск 2015 г.

Содержание

электромагнитный расходомер магнитный поле

Введение

Определение электромагнитного расходомера

Принцип действия

Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем

Электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем

Электромагнитные расходомеры с импульсным магнитным полем низкой частоты

Метрологические характеристики и область применения электромагнитных расходомеров

Достоинствами и недостатки электромагнитных расходомеров

Приложение

Список литературы

Введение

Измерение расхода и массы веществ (жидких, газообразных, сыпучих, твердых, паров и т. п.) в производстве широко применяется как в товароучетных и отчетных операциях, так и при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами.

Расход вещества - это масса или объем вещества, проходящего через данное сечение канала средства измерения расхода в единицу времени. В зависимости от того, в каких единицах измеряется расход, различают объемный расход или массовый расход. Объемный расход измеряется в м3/с (м3/ч и т. д.), а массовый - в кг/с (кг/ч, т/ч и т. д.).

Расход вещества измеряется с помощью расходомеров, представляющих собой средства измерений или измерительные приборы расхода. Многие расходомеры предназначены не только для измерения расхода, но и для измерения массы или объема вещества, проходящего через средство измерения в течение любого, произвольно взятого промежутка времени. В этом случае они называются расходомерами со счетчиками или просто счетчиками. Масса или объем вещества, прошедшего через счетчик, определяется по разности двух последовательных во времени показаний отсчетного устройства или интегратора. По принципу действия разделяются на следующие основные группы: переменного перепада давления; обтекания - постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них находятся в стадии разработки и широкого применения пока не получили.

Определение электромагнитного расходомера

Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 40-х годов XX века в промышленности применяются электромагнитные расходомеры. Неоспоримые достоинства электромагнитных расходомеров -- отсутствие гидродинамического сопротивления, отсутствие подвижных механических элементов, высокая точность, быстродействие -- определили их широкое распространение.

Электромагнитные расходомеры - это расходомеры, работающие по принципу взаимодействия протекающей через расходомер жидкости с магнитным полем. В основе процесса лежит закон электромагнитной индукции. Соответственно, измеряемая жидкость должна быть электропроводящей.

В промышленности используются электромагнитные расходомеры с измеряемой ЭДС, индуцируемой в жидкости в процессе пересечения жидкостью магнитного поля. В участок трубы из немагнитного материала, изнутри покрытого неэлектропроводной изоляцией и расположенного между полюсами магнита, устанавливаются два электрода перпендикулярно потоку жидкости направлению расположения силовых линий магнитного поля. При этом вычисляется разность потенциалов на электродах, которая прямо пропорциональна объемному расходу. Постоянное магнитное поле применяют для вычисления расхода расплавленных металлов. Переменное магнитное поле применяют для вычисления расхода жидкостей с ионной проводимостью.

Принцип действия

Принцип действия электромагнитных расходомеров (ЭМР) основан на измерении ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости (кислоты, щелочи, соли) под действием внешнего магнитного поля.

Принципиальная схема электромагнитного расходомера приведена на рис. 1. Корпус 1 с цилиндрической вставкой из немагнитного материала (фторопласта, эбонита и др.), с перемещающейся в нем жидкостью, расположен между полюсами 2 и 3 магнита перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. В стенки трубопровода диаметрально противоположно (заподлицо с внутренней поверхностью трубы) заделаны измерительные электроды. Под действием магнитного поля ионы, находящиеся в жидкости, перемещаются и отдают свои заряды измерительным электродам электромагнитного расходомера, создавая в них ЭДС Е, пропорциональную скорости течения жидкости. К электродам подключен измерительный прибор 4, шкала которого отградуирована в единицах расхода.

Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем

К основным достоинствам постоянного магнитного поля можно отнести:

· относительную простоту устройства магнитной системы;

· возможность измерения расходов, изменяющихся с высокой частотой;

· отсутствие многочисленных помех, возникающих при применении переменного магнитного поля;

· возможность измерения расхода веществ с низкой электрической проводимостью.

Но постоянному магнитному полю свойственен существенный недостаток - поляризация электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности, что нарушает нормальную работу расходомера. Поляризацию уменьшают, применяя электроды из специальных материалов (угольные, каломелиевые) или специальные покрытия для электродов (платиновые, танталовые).

В связи с этим для измерения расхода обычных жидкостей с ионной проводимостью постоянное магнитное поле не применяют. Такое поле может быть использовано для измерения расхода расплавленных металлов, имеющих электронную, а не ионную проводимость.

Также электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем применяют в лабораториях и исследовательской практике при кратковременных измерениях, когда явление поляризации практически не заметно, и при измерении быстропеременных расходов, измерение которых при переменном магнитном поле невозможно.

Величина ЭДС в случае постоянного магнитного поля определяется основным уравнением электромагнитной индукции

E=B*d*v_ср,

где В - магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d - внутренний диаметр трубопровода (длина проводника); v_ср - средняя скорость потока жидкости.

Выразив скорость через объемный расход Q, получим (для трубопровода круглого сечения):

E=4*Q*B/(р*d)

Из этой формулы следует, что при однородном магнитном поле ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу. Электромагнитные расходомеры применяют лишь для жидкостей с электрической проводимостью не ниже 10^-3- 10^-5 см/м.

Электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем

Для измерения расхода сред с ионной проводимостью применяются расходомеры с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом (рис.2):

Переменное магнитное поле сводит до минимума поляризацию электродов, благодаря чему широко применяется в расходомерах.

Однако применение такого поля имеет ряд ограничений:

1. Так как в преобразователе расхода совместно с токами проводимости протекают и токи смещения, то это ограничивает возможность применения переменного магнитного поля с малой электрической проводимостью: менее 10-6 См/м (например, лёгких нефтепродуктов, спиртов и т. п.).

2. Длина проводов, связывающих преобразователь расхода с измерительным прибором, ограничена емкостным сопротивление между ними и тем больше, чем чем меньше удельная проводимость жидкости. Для точного измерения ЭДС преобразователя нужно, чтобы сопротивление нагрузки во много (100-500) раз превышало сопротивление преобразователя. Влияние ёмкости проводов можно уменьшить следующими способами:

o усилитель или первую его ступень отделить от измерительного прибора и установить у преобразователя расхода;

o применение проводов с двойным экраном и подача на внутренний экран напряжения, равного по величине напряжению экранируемого провода.

3. При переменном магнитном поле наряду с полезным сигналом ЭДС возникает паразитная (трансформаторная) ЭДС, когда наводится на витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами. Её источником является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля. Трансформаторная ЭДС может быть значительно больше полезного сигнала, но обычно составляет 20-30%. Это нежелательное явление можно устранить, уменьшив площадь контура путём расположения плоскости витка, образованного проводниками, идущими от электродов, параллельно силовым линиям магнитного поля. Перемещая проводники можно добиться минимального сигнала помех.

4. Переменное магнитное поле вызывает появление вихревых токов Фуко как в магнитопроводе, так и в стенках трубопровода и измеряемой жидкости. При большой толщине стенки трубопровода величина этих токов значительна, что приводит к появлению их собственного магнитного поля, которое ослабляет основное магнитное поле.

5. Возможны помехи из-за блуждающих токов и внешних электромагнитных полей.

6. Изменение напряжения и частоты питания, а также температуры электромагнита могут вызвать изменение индукции магнитного поля, а следовательно и измеряемой ЭДС. Для устранения этого эффекта напряжение питания электромагнита делают опорным напряжением схемы сравнения.

7. Индукция магнитного поля не должна быть более 0,25-0,3 Тл, так как её увеличение вызовет усиление помех и рассеяния магнитного потока.

8. В электромагнитных расходомерах имеется паразитная (шумовая) ЭДС, возникающая от тепловых шумов во внутреннем сопротивлении жидкости между электродами. Это явление ограничивает применение электромагнитных расходомеров для жидкостей с большим удельным сопротивлением.

Электромагнитные расходомеры с импульсным магнитным полем низкой частоты

Применение переменного магнитного поля связано со значительными помехами и ограничениями, которые проявляются сильнее с увеличением частоты поля. Поэтому, если не требуется измерение быстропеременных расходов, часто снижают обычную частоту (50 Гц) магнитного поля. Это даёт ряд преимуществ:

1. Полностью исчезает влияние внешних помех промышленной частоты.

2. Почти полностью устраняется влияние вихревых токов, благодаря чему существенно упрощается создание преобразователей расхода на высокое давление.

3. Снижается влияние собственных индукционных и емкостных помех.

4. Снижается потребление электроэнергии.

5. Возможен отказ от шихтованного магнитопровода.

6. Упрощается изготовление благодаря исключению экранировки электродов и измерительных цепей.

Основными достоинствами расходомеры с импульсным магнитным полем являются: более высокая точность измерения по сравнению с переменным полем синусоидальной формы промышленной частоты (относительная погрешность (0,2-0,5)%); значительно меньшая затрачиваемая мощность.

Метрологические характеристики и область применения электромагнитных расходомеров

Погрешность электромагнитных расходомеров определяется в основном погрешностями их градуировки и погрешностями измерения разности потенциалов ЭДС. Однако электрохимические процессы в потоке жидкости, различные помехи и наводки, непостоянство напряжения питания и другие, на данный момент не позволяют получить той потенциально высокой точности измерений расхода, которая вытекает из принципа действия данного типа расходомеров. Так, изготовляемые в СССР электромагнитные расходомеры, несмотря на индивидуальную градуировку(на высокоточных расходомерных стендах) и весьма совершенные средства измерения ЭДС, имеют класс точности 1,0-- 2,5 %.

Тем не менее электромагнитные расходомеры широко применяют в металлургической, биохимической и пищевой промышленности, в строительстве, в медицине, так как они малоинерционные в сравнении с расходомерами других типов. Расходомеры незаменимы в тех процессах автоматического регулирования, где запаздывание играет существенную роль, или при измерении быстро меняющихся расходов.

Гидравлические потери на приборе минимальны, потому что первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей, выступающих внутрь трубопровода, сужений или изменений профиля. Эти расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленности, где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды, так как преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Отсутствие полых углублений исключает застаивание и коагулирование измеряемого продукта.

На показания электромагнитных расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, а также физико-химические свойства измеряемой жидкости (вязкость, плотность, температура и т. п.), если они не изменяют её электропроводность.

Электромагнитные расходомеры можно монтировать в любом положении на расстояниях, равных не менее 20 диаметров трубопровода после местных сопротивлений и не менее восьми диаметров до местных сопротивлений. Также конструкция первичных преобразователей позволяет применять новейшие изоляционные, антикоррозийные и другие покрытия, что даёт возможность измерять расход агрессивных и абразивных сред.

Отмеченные преимущества и обеспечили достаточно широкое распространение электромагнитных расходомеров, несмотря на их относительную конструктивную сложность и необходимость тщательного каждодневного технического ухода (подрегулировка нуля, поднастройка и т.п.).

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения очень малых (3*10-9 м3/с) расходов (например, для измерения расхода крови по кровеносным сосудам) и больших расходов жидкостей (3 м3/с). Причём диапазон измерения расходомера одного типоразмера достигает значения 10:1, т. е. достаточно велик.

Но расходомеры данного типа непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с малой электропроводностью, что является их существенным недостатком. Но применение разрабатываемых в настоящее время специальных автокомпенсирующих устройств позволит существенно снизить требования к электропроводности измеряемых сред и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей, в том числе и нефтепродуктов.

Подведя итоги, можно выделить следующие основные достоинства и недостатки электромагнитных расходомеров.

Достоинствами электромагнитных расходомеров являются:

· независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества;

· возможность реализации метода для очень больших диаметров трубопроводов и отсутствие при этом дополнительного динамического сопротивления;

· линейность шкалы;

· необходимость в меньших длинах прямых участков труб, чем у других расходомеров;

· высокое быстродействие;

· возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей;

· работоспособность при высоких давлениях среды - вплоть до 100 МПа.

К недостаткам следует отнести:

· невозможность использования расходомеров для непроводящих жидкостей (углеводороды, аммиак, кислоты и др.);

· наличие дополнительной погрешности от величины электропроводности жидкости;

· возможность отложения магнетита на стенках измерительного трубопровода расходомера и значительное увеличение погрешности при наличии окислов железа в воде;

· необходимость разрезки трубопровода, приварки фланцев и установки измерительного трубопровода, что часто невыполнимо.

Приложение

Примеры электромагнитных расходомеров

Список литературы

1. http://www.npopramen.ru [разработка и производство расходомеров, измерительных систем, проверочного оборудования].

2. http://www.rossnab-com.ru [ООО «РосСнаб»].

3. Статья «Электромагнитные расходомеры для воды и стоков» [KROHNE].

4. Джесси Рассел, Рональд Кон «Электромагнитные расходомеры» [bookvika publishing].

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитный_расходомер.

Размещено на Allbest.ru