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.