Электромагнитный расходомер жидкости NORDIS для тяжелых условий эксплуатации

 

 Расходомеры-счетчики электромагнитные NORDIS предназначены для измерений объемного расхода жидкости и объема жидкости в потоке.

   Расходомеры  применяются  для  коммерческого и  технологического учета  жидкости на предприятиях теплоэнергетического комплекса, на промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве.

  В ряду измерительного оборудования, выпускаемого НПО «Наука» (г.Чебоксары ,Российская Федерация) несколько особняком стоит электромагнитный расходомер NORDIS .Этот относительно новый прибор, выпущенный только в 2017 году, предназначен для экстремальных условий эксплуатации: работы с кислотами, щелочами, солевыми растворами и жидкостями, содержащими абразивные включения. Разные исполнения расходомера NORDIS способны функционировать в самых жестких условиях: в полностью затопленном состоянии, при 250 градусах, в условиях сильной запыленности и т. д. Степень защиты оболочки NORDIS в зависимости от исполнения может составлять IP65, IP67 или IP68 (последнее – для работы на глубине 3 метров). Футеровка корпуса осуществляется химически стойкими материалами, а электроды могут изготавливаться из нержавеющей стали марки 316L, сплавов хастелой C или B, титана, тантала.

   Высокая степень защиты электромагнитного расходомера NORDIS требуется не только на предприятиях химической промышленности, но и во многих других областях: в пищевом и фармацевтическом производстве, на канализационных станциях и очистных сооружениях, на водоканалах, в сфере энергетики и ЖКХ.

Для того чтобы была возможность применять прибор в любой ситуации, предусмотрено множество вариантов присоединения к процессу.

Электромагнитный расходомер жидкости NORDIS способен измерять поток в прямом и обратном направлении, определять заполнение трубопровода и сигнализировать о нештатных ситуациях. Измеренные значения – мгновенный расход (мі/ч), накопленный объем (м3), общее время работы (ч), скорость потока (м/с) – выводятся на буквенно‑цифровой индикатор. Под индикатором расположены кнопки, позволяющие настраивать прибор.

Отметим, что язык интерфейса расходомера – русский, английский реализуется опционально. Посмотреть показания, а также воспользоваться кнопками для настройки весьма удобно: дисплейный блок с индикатором можно переустановить, повернув вокруг оси на 90 или 180 градусов. 

Разумеется, в таком  современном оборудовании, как электромагнитный расходомер NORDIS, обеспечена возможность подключения к автоматизированной системе для удаленной передачи данных. Для этого расходомер NORDIS оборудован интерфейсом RS‑485 (с поддержкой Modbus RTU), токовым выходом 4–20 мА (гарантирующим самую надежную работу в полевых условиях) и импульсным выходом. Основные технические характеристики расходомера отражены в таблице.

Параметры	Реализация в приборе
Температурный диапазон окружающей среды, °C	-10…+60
Температурный диапазон измеряемой среды, °C	0…120 (до 250 по заказу)
Тип присоединения	Фланцевое
Средняя относительная погрешность измерения расхода	0,5
Длина прямолинейных участков	5 Dу до места установки и 3 Dу после
Степень защиты электронного блока	IP65 (IP67, IP68 по заказу)
Питание электронного блока (через блок питания)	220 В, 50 Гц, 24 В
Средний срок службы, лет	12
Гарантийный срок, месяцев	18
Межповерочный интервал, лет	4

 В настоящее время на рынке не наблюдается нехватка предложений электромагнитных  расходомеров .Однако ,если по цене прибора какого-нибудь  западного производителя можно приобрести три-пять электромагнитных расходомеров Nordis, есть поводу задуматься.

Электромагнитные расходомеры сточных вод на КНС

 

 Электромагнитные расходомеры (ЭМР) применяют для измерения расхода жидкостей,обладающих электрической проводимостью. Минимально допустимая величина удельной электрической проводимости жидкости σ зависит от конкретной модели прибора .Как правило ,ее значение лежит в интервале от 1 до 50 мкСм/см. Например ,для расходомера  «Взлет ТЭР» σ_мин= 1мкСм/см ,а для  расходомера Siemens Mag8000 σ_мин= 20мкСм/см.

  Проводимость обычной водопроводной воды составляет порядка 365 мкСм/см, а проводимость сточных вод еще выше.Наличие в воде примесей никак не уменьшает ее проводимости .Из этого следует ,что электромагнитные расходомеры могут применяться на канализационных насосных станциях(КНС) ,так как условие σ_ж >σ_мин  здесь практически всегда выполняется.При этом,конечно,не стоит забывать о стойкости конструкционных материалов расходомера(прежде всего,футеровки)  к воздействию среды.

   Контакт электромагнитного расходомера с измеряемой  средой может проявляться не только в физическом износе элементов конструкции ,но и в виде различных специфических негативных эффектов ,таких как дробовой шум ,поляризация электродов,смещение нуля и т.п.,что особенно характерно для сложных и неоднородных по составу жидкостей.Для борьбы с этими явлениями разработаны технические решения ,которые усложняют электронную часть расходомера и увеличивают потребление энергии,требуя значительно более мощного (по меркам измерительных устройств) источника питания.Поэтому в общем случае для измерения расхода сточных вод не следует выбирать приборы с автономным питанием.

    Относительная погрешность измерения расхода наиболее распространенных электромагнитных расходомеров,применяемых для установки на напорных трубопроводах, лежит в интервале 0,5-2,0%.Как известно,согласно ТКП 17.06-12-2015 «Правила ведения учета добываемых подземных вод,изымаемых поверхностных вод и сбрасываемых сточных вод в окружающую среду» допустимая погрешность средств измерений,применяемых для  измерения расхода  сточных вод, должна быть не более 5%.

  Современные ЭМР обладают большим динамическим диапазоном.И хотя при работе с насосом постоянной производительности это не является таким уж весомым преимуществом ,все же при частых включениях и выключениях насоса измерения в области малых расходов с малой погрешностью существенно  повышают общую точность измерений.

  Несомненным плюсом электромагнитных расходомеров при применении их на КНС являются небольшая длина необходимых прямых участков трубопровода  до и после места установки первичного преобразователя расхода(ППР) и возможность конструктивного исполнения последнего со степенью защиты IP68 (высота столба жидкости над прибором может достигать 10м).

  На КНС ,как правило,применяют раздельное  исполнение расходомера .ППР устанавливают в затопляемой зоне ,а съем показаний осуществляют с вторичного преобразователя,который может располагаться на значительном удалении.В более ранних моделях напряжение сигнала  с ППР по инструментальному  кабелю непосредственно поступало на вторичный прибор,что требовало принятия определенных мер по обеспечению помехозащищенности .Сегодня при раздельном исполнении для связи между  частями электромагнитного расходомера все чаще используют цифровые интерфейсы и протоколы обмена (Modbus, Profibus и т.п.).

  Короткие прямые участки обеспечивают известную гибкость при выборе места установки электромагнитного расходомера (не стоит забывать о том,что канал ЭМР дожен быть полностью заполнен). При этом необходимо помнить ,что при коммерческом учете существует межповерочный интервал ,по истечении которого ЭМР необходимо демонтировать и отправить в поверку .Естественно ,что при установки в труднодоступных местах,предпочтительнее использовать приборы с большим межповерочным интервалом .В государственном реестре средств измерений Республики Беларусь можно найти электромагнитные расходомеры с межповерочным интервалом от 1 года до 4 лет.

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.