Принцип работы электромагнитного расходомера

 

Стационарное равновесие между силами Лоренца (FL) и Кулона (FK), лежащее в основе принципа действия электромагнитногорасходомера. 

Любой водный раствор, кроме дистиллированной или глубоко очищенной воды является электролитом, то есть в нем присутствуют диссоциированные молекулы солей, кислот, оснований. Таким образом, в водном растворе практически всегда есть свободные носители заряда. В естественных условиях число катионов и анионов равно, и жидкость электрически нейтральна. 

При движении жидкости по трубопроводу вместе с массой воды переносятся и свободные носители заряда. А направленное движение заряженных частиц является электрическим током. Только в движущейся нейтральной жидкости текут два тока, образованные потоком анионов и катионов, равные по модулю и противоположные по направлению. Если поместить поток жидкости в магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны потоку, то на каждую движущуюся заряженную частицу будет действовать сила Лоренца, направление которой будет перпендикулярно вектору индукции магнитного поля и вектору скорости заряженной частицы. В результате положительно и отрицательно заряженные частицы будут смещаться в противоположные стороны, то есть произойдет разделение объемных зарядов в жидкости.

До каких пор заряды будут разделяться? Казалось бы, если магнитное поле достаточно протяженное, то все заряды должны пространственно разделиться? Однако это не так. При разделении объемных зарядов на них из-за электростатического взаимодействия начинает действовать сила Кулона. Если сила Лоренца разделяет заряды, то сила Кулона притягивает разноименно заряженные частицы. В какой-то момент эти силы сравниваются.

В основе принципа действия электромагнитного расходомера лежит именно стационарное равновесие между силами Лоренца (F_L) и Кулона (F_K) (см.рис.). Степень разделения зарядов зависит в этом случае от величины силы Лоренца, а она, в свою очередь, - от скорости потока жидкости. Запишем условие наступления такого равновесного состояния c учетом ортогональности векторов скорости и индукции поля:

F_L=F_K   или   qvB=qE,   откуда   E=vB,

где q - разделенный заряд; v - модуль скорости потока; B - модуль индукции магнитного поля; E - модуль напряженности электрического поля, создаваемого разделенными зарядами.

Таким образом, разность потенциалов между измерительными электродами зависит только от скорости течения жидкости, индукции магнитного поля и расстояния между электродами:

Δφ=Ed=vBd,   где d - расстояние между электродами.

Объемный расход Q=vS и разность потенциалов между электродами прямо пропорциональны скорости течения, а значит, прямо пропорциональны друг другу:

Δφ=QBd/S, где S - площадь сечения трубы.

Отсюда видно, что измеряемое на электродах напряжение прямо пропорционально объемному расходу проводящей жидкости.

Внутреннее сопротивление такого возникающего магнитогидродинамического источника тока велико. Чтобы электроды не шунтировались металлом трубы, и не происходило разряда разделившихся ионов друг на друга по стенке трубы, внутренняя поверхность ЭМР должна быть покрыта изоляционным материалом - футеровкой. Материал футеровки определяет химическую совместимость и физическую стойкость преобразователя электромагнитного расходомера.

В идеальном случае измеряемый на электродах сигнал прямо пропорционален расходу. На практике на эту простую зависимость влияет множество факторов - электрохимический шум, наводки, турбулентность потока. От того, насколько производителю удается справиться с этими нюансами, зависят метрологические характеристики и надежность электромагнитного расходомера.

 

РЕАЛИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА ВОДЫ НА ОСНОВЕ ВРЕМЯ- ИМПУЛЬСНОГО МЕТОДА

 

Применение ультразвуковыхизмерителей потока стремительно распространяется как в индустриальной среде, так и в медицине. Существует множество других методов измерения расхода жидкости, такие как турбины, трубки Вентури и другие, но применение ультразвуковых преобразователей имеет множество преимуществ . Такая система не содержит движущихся частей, не создает дополнительного перепада давления и позволяет проводить двунаправленное измерение.Ее быстрый отклик позволяет производить измерения в переходных и  пульсирующих потоках. Наконец, эта система может значительно снизить затраты на ее установку и обслуживание . Кроме того, ультразвуковыеизмерители потока находят применение для измерений в жидкостях, газах и многофазных средах, хотя и не без ограничений . 

Среди  ультразвуковых  методов  измерения  объемного  расхода  можно  выделить  два  основных:  доплеровский  и  время-импульсныйметоды.  Метод измерения выбирается в зависимости от типа контролируемой среды. Среда, в свою очередь, может быть однофазной (гомогенной), либо многофазной (гетерогенной). Для измерения расхода гетерогенных сред  лучше  всего  проходит  доплеровский  метод  измерения,  в  основе  которого  лежит  измерение  частоты  ультразвукового сигнала отраженного от движущихся неоднородностей. Для измерения  расхода в однофазных средах  лучше  подходит  время-импульсный  метод  измерения,  в  основе  которого  лежит  изменение  времени распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока жидкости .

Для  ввода  акустических  колебаний  в  поток  и  их  дальнейшего  считывания  используются  излучатели-приемники, выполненные на основе пьезокерамических элементов .

Рассматриваемый  в  статье  ультразвуковой расходомер  должен  проводить  измерения  для    потока  воды.  Поскольку  вода  является гомогенной средой, то в качестве метода измерения был выбран время-импульсный метод.

Принцип измерений

Ультразвуковыевремя-импульсные измерители основаны на посыле в акустический канал ультразвуковых сигналов  по потоку и против него. Для этого используются два направленных друг на друга пьезокерамических преобразователя, каждый из которых по очереди выполняет роль приемника и передатчика. На распространение сигнала будет влиять  протекающий со скорость v поток, благодаря чему время распространения сигнала от вышестоящего передатчика А до нижестоящего  приемника  Б  будет  меньше,  чем  время  распространения  сигнала  от  нижестоящего  передатчика  Б  до вышестоящего приемника А. Таким образом, разность во времени пролета между этими двумя сигналами будет прямо пропорциональна скорости потока v. Данный принцип схематически изображен на рисунке 1

Общий вид устройства

Расходомер,  как  измерительное  устройство,  должен  не  только  накапливать  разности  времен  распространения  сигнала, но также и осуществлять преобразования, вычисления, мгновенное отображение результата и его передачу на сервер.  В  качестве  ядра,  выполняющего  перечисленные  функции,  был  использован  микроконтроллер  с  низким потреблением STM32.  Структура устройства отображена на рисунке 2.

Точность  всего  устройства  определяется  точностью,  с  которой  осуществляется  измерение  разности  во  времени  распространения ультразвуковых волн. В зависимости от скорости потока, эта величина может существенно отличаться.

Типичные значения разности во времени составляют от единиц до сотен наносекунд. По этому, был необходим время-цифровой преобразователь обладающий высоким разрешением и широким диапазоном измерений.

Для осуществления прецизионных измерений времени распространения ультразвуковых волн был применен время-цифровой преобразователь TDC-GP22 производства компании Acam Messelectronic GmbH. Данный измеритель имеет высокое  разрешение  22  псек  и  содержит  схему  генерации  и  детектирования  импульсов,  что  значительно  упрощает конечную  схему  устройства.  Кроме  того,  микросхема  преобразователя  имеет  малые  физические  размеры  и  низкое энергопотребление.

Измерение  температуры  воды  реализовано  при  помощи  двух  термисторов.  Для  определения  их  сопротивления  была использована функция измерения сопротивления PICOSTRAIN® преобразователя TDC-GP22. Данная технология позволяет с  высокой  точностью  измерить  относительное  сопротивление  элементов  .  Для  вычисления  абсолютных  величин сопротивлений термисторов при помощи их относительных значений, а затем и непосредственно температуры, был введен  опорный резистор.

После выполнения измерений, микроконтроллер STM32 принимает данные от TDC-GP22 по серийному интерфейсу SPI, выполняет  их  обработку,  устраняет  шумы  и  производит  подготовку  результатов.  Для  взаимодействия  с  пользователем  и  выбора  режима  работы  устройства  были  добавлены  дисплей  и  кнопки,  а  также  возможность  удаленного  взаимодействия посредством интерфейса передачи данных. Для сохранения результатов используется встроенное запоминающие устройство.

Обработка данных

Данные,  поступающие  в  микроконтроллер  от  время-цифрового  преобразователя,  представляют  собой  последовательность  величин,    измеренных  в  различные  моменты  времени  с  постоянным  шагом.  К  сожалению,  эти данные очень сильно зашумлены и потому непригодны к использованию в своем первоначальном виде. По этой причине необходимо  провести  их  дополнительную  обработку.  Поскольку  все  результаты  измерений  разности  времен  распространения сигнала и сопротивлений термисторов представлены в цифровом виде, то обработка осуществляется исключительно программными средствами микроконтроллера. 

Цифровая  обработка  сигналов,  в  сравнении  с  аналоговой,  имеет  ряд  преимуществ,  среди  которых  гибкость, стабильность  и  высокая  надежность.  Для  определения  конкретного  типа  фильтра  и  его  коэффициентов  для  каждой величины  был  проделан  ряд  экспериментов,  заключавшихся  в  проведении  серий  замеров  для  различных,  заранее известных, скоростей потоков воды. Каждая серия включала в себя несколько сотен измерений, которые сохранялись на  ПК  для  дальнейшего  изучения.  Пример  нескольких  последовательных  измерений  внутри  одной  серии  приведен  в таблице 1.

Приведенные в таблице данные содержат всего 5 точек, но тем не менее наглядно демонстрируют общий характер измерений.  Так,  можно  заметить,  что  сопротивления  термисторов  постоянны,  а  значит,  им  не  требуется  сложная  математическая  обработка  и  достаточно  простого  скользящего  среднего.  Времена  распространения  сигнала  же, напротив,  серьезно  подвержены  шумам  и  требуют  дополнительной  программной  фильтрации.  Примеры  исходных  зашумленных и отфильтрованных данных приведены соответственно на рисунках 3 и 4.

Таким образом, после проведения процедуры фильтрации, полученный результат можно использовать для итогового вычисления расхода воды. Тем не менее, текущая цифровая  обработка может содержать недостатки и требует более  тщательной проверки в будущем.

Заключение

Данная статья представляет реализацию ультразвукового расходомера воды основанного на время-импульсном методе,  в  основе  которого  лежит  микроконтроллер  STM32,  а  генерация  импульсов  и  измерение  их  времени распространения  осуществляется  специализированным  время-цифровым  преобразователем  TDC-GP22.

Полученные  данные  обрабатываются  при  помощи  программных  методов  и  отображаются  пользователю  как непосредственно на устройстве, так и через удаленный сервер. 

В будущем необходимо проведение полноценных метрологических испытаний, по результатам которых возможно понадобится незначительная корректировка параметров цифрового фильтра.