Безжидкостная градуировака электромагнитных расходомеров с неоднородным магнитным полем

 

  Исследования безжидкостного метода градуировки электромагнитныхрасходомеров (ЭМР) с однородным полем [1], в основу которого положено электрическое моделирование электромагнитногопреобразователя расхода (ЭПР),позволили разработать техническую документацию,изготовить и аттестовать партию установок для безжидкостной градуировки электромагнитных расходомеров непосредственно на предприятиях,эксплуатирующих расходомеры класса 2,5.

   Анализ показывает возможность безжидкостной градуировки ЭМР более высокого класса точности при условии экспериментального определения с более высокой точностью коэффициента ЭПР.

  За  последнее время все большее распространение получают электромагнитные расходомеры  с неоднородным полем  возбуждения.В НИИТеплоприборе разработан ряд приборов с диаметрами условных проходов D_у от 100 до 1000 мм [3].Приступил к серийному изготовлению расходомеров с неоднородным полем Таллинский завод измерительных приборов.Одновременно намечается тенденция к увеличению числа ЭМР с неоднородным полем за счет изготовления расходомеров больших типоразмеров .Так,завод Ленводприбор приступил к выпуску расходомеров с D_у от 400 до 1000 мм.

  Возникла необходимость совершенствования безжидкостного метода применительно к ЭМР с неоднородным полем и распространения его на большие типоразмеры ЭПР.

  Как известно ,электрическая модель электромагнитногопреобразователя расхода  позволяет без гидравлических расходомерных установок воспроизводить электрическое напряжение ,равное разности потенциалов между измерительными электродами моделируемого объекта ,возникающей при соответствующих расходах жидкости.

  Электрическая модель ,приведенная на рис.1,состоит из трех основных элементов : собственно ЭПР 1 ;зонда 2 ,обеспечивающего преобразование индукции магнитного поля в электрический сигнал ,электрического преобразователя 3,преобразующего сигнал с зонда в выходное  напряжение.

 Очевидно,что зонд,применяемый для ЭМР с однородным полем,не может быть использован в электромагнитныхрасходомерах с неоднородным полем,поскольку он не позволяет получить полную информацию о достаточно сложной топографии в канале ЭПР.

  Ниже кратко сформулированы основные требования ,которым должен отвечать зонд для ЭПР с неоднородным полем .Зонд должен быть достаточно легко

реализуем конструктивно,максимально унифицирован по типоразмерам ЭПР,пригоден для использования в ЭМР  с однородным и неоднородным полем возбуждения .

  Как известно ,разность потенциалов между измерительными электродами ЭМР с неоднородным полем выражается в виде

где τ- объем активной   зоны канала ЭПР;W^→- весовая функция ;G- функция Грина для краевой задачи второго рода с полюсами в точках расположения электродов (grad G характеризует вклад точки сечения в сигнал) ;v^→-скорость жидкости ;В^→- индукция магнитного поля.  

  Для электромагнитногорасходомера с неоднородным полем применим зонд,состоящий из определенной совокупности последовательно включенных катушек индуктивности,распределенных в рабочем объеме τ канала по закону

 

где N_i^→- суммарная площадь витков элементарной катушки ,расположенной в i-й точке рабочего объема.

  Суммарная площадь витков элементарной катушки рассматривается как векторная величина,причем витки ориентируются в плоскости расположения векторов v^→_i и W^→_i.

  Коэффициент k равен

где N₀- суммарная площадь витков катушки ,расположенной  в центре канала ;S- площадь поперечного сечения канала ;Q- объемный расход жидкости;W₀- значение grad G в центре канала.

  ЭДС ,индуктируемая в цепи  зонда ,определяется выражением

где j- мнимая единица ; w- угловая частота.

  При равенстве напряжений в компенсационной цепи электрической модели напряжение на его выходных клеммах находят по формуле

где R – безреактивное сопротивление ,М-взаимная индуктивность.

  Сопоставляя (1) и (5) ,определяют значение расхода

 

где α- коэффициент ЭПР.

 Изменяя параметр R модели , можно получить сигнал ,соответствующий любому заданному расходу жидкости.Выбор закона распределения катушек зонда в канале позволяет воспроизвести  практически любой профиль скорости потока.

  Погрешность определения  расхода при помощи электрической модели имеет две основные составляющие :

  σ_эм ,определяемую точностью изготовления элементов электрической модели и точностью оценки коэффициента ЭПР , и σ_д ,вызванную дискретностью расположения катушек зонда в канале расходомера.

Поскольку каждая из составляющих в (6) взаимонезависима  ,погрешность

σ_эм равна

 

  Погрешность электрической модели σ_эм в основном будет определяться точностью нахождения коэффициента ЭПР.

  Погрешность σ_д определяется степенью конечно-разностной аппроксимации (1) и может быть сведена к достаточно малой величине при сокращении шага разбиения :

  Если  пренебречь составляющими индукции B_x,B_z и считать,что поток имеет составляющую скорости v_z , то конструкция зонда существенно упрощается.

В этом случае витки катушек будут ориентированы параллельно плоскости,проходящей через ось канала ЭПР и ось электродов. Катушки можно выполнить с равным количеством витков и одинаковыми размерами и располагать их вдоль линий равного значения vW, изменяя соответствующим образом  шаг ( плотность распределения) на разных линиях.Можно предполагать ,что погрешность моделирования при этом увеличится  несущественно , поскольку составляющие B_x и B_z достаточно малы и интегральное значение их составляющих по объему активной зоны канала при симметричном исполнении магнитной системы стремится к нулю.Для предельного турбулентного режима (Re>100 000) линии равной плотности распределения катушек  совпадают с изолиниями W_z.

  На рис.2 изображены центральное сечение канала ЭПР и зонд,который соответствует указанным выше требованиям.Ось Y проходит через центры электродов 1 и 2 ЭПР ,ось Х перпендикулярна оси Y в плоскости центрального сечения;Z- ось канала ЭПР ,перпендикулярная осям X и Y.

  Зонд состоит из секций 3 с одинаковыми суммарными площадями витков .

Секции включены согласно и последовательно и расположены в центральном поперечном сечении канала ЭПР вдоль прямых линий ,пересекающихся в центре канала под углом 90°и имеющих угла наклона 45°к линии ,соединяющей электроды ЭПР. Витки каждой секции зонда расположены в плоскостях,параллельных плоскости,которая проходит через ось,соединяющую электроды ,и ось канала ЭПР.

  Одновременно с разработкой зонда усовершенствован электрический преобразователь,применявшийся для электромагнитных расходомеров с однородным магнитным полем [1] и имеющий ряд недостатков.Одним из них была недостаточная защищенность от электрических помех,вызываемых источником питания.

  На рис.3 приведена принципиальная схема усовершенствованной электрической модели электромагнитного преобразователя расхода [4].В цепь уравновешивания модели включен измерительный трансформатор 2,имеющие две одинаковые первичные обмотки,соединенные последовательно с зондом 1 и катушкой индуктивности 3 симметрично и согласно; вторичная обмотка трансформатора подключена ко входу нуль-индикатора 7.Между автономным регулируемым источником питания 6,при помощи которого создается уравновешивающий ток ,и цепью вторичной обмотки катушки 3 с безреактивным сопротивлением 5 включен промежуточный трансформатор тока 4.Вторичная обмотка этого трансформатора выполнена в виде двух одинаковых секций,включенных последовательно с безреактивным сопротивлением и вторичной обмоткой катушки взаимной индуктивности .

Промежуточный трансформатор тока  позволил заземлить одну из клемм регулируемого источника питания 6.Эти меры практически полностью устранили в схеме помехи по цепи питания.

  Экспериментальная проверка показала,что электрический преобразователь,выполненный в соответствии со схемой рис.3 ,имеет высокую стабильность передаточного коэффициента ,более высокую чувствительность,удобнее в работе.

  Для повышения точности безжидкостной градуировки электромагнитных расходомеров  разработан также усовершенствованный измеритель площади поперечного канала,через который проходит контролируемый поток жидкости.Он создан на базе распространенных стандартных измерительных средств (вертикального катетометра типа КМ-6 и образцовых отливных стеклянных колб 1 –го разряда) и имеет погрешность ±0,1 – 0,2% в зависимости от диаметра канала и точности обработки внутренней поверхности.

  Предварительные результаты показывают ,что с использованием описанных устройств возможная безжидкостная градуировка электромагнитных расходомеров с неоднородным полем  класса 2,5.