Разработка электромагнитного расходомера

Тылькович4-5.docx

Пояснительная записка 34 с.11 рис. 8 источников.
РАСХОД МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОГРЕШНОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ ЭЛЕКТРОДЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ ЖИДКОСТИ
Целью выполнения курсового проекта является исследование способов улучшения метрологических характеристик электромагнитных расходомеров.
Рассмотрены разнообразные конструкторские решения которые ведут к улучшению метрологических характеристик(точность надежность)
В результате найдены способы уменьшения погрешности расширения диапазона измерений и повышения помехоустойчивости электромагнитных расходомеров.
Графическая часть включает:
– структурные схемы электромагнитного расходомера – 1 лист А1.
– конструкция электромагнитного расходомера
Метрологические характеристики средств измерений4
2 Номенклатура метрологических характеристик7
Электромагнитные расходомеры. Принцип действия конструкция достоинства и недостатки11
1 Особенности электромагнитного метода измерения расхода13
Методы улучшения метрологических характеристик электромагнитных расходомеров.18
1 Увеличения точности измерения расхода электромагнитным расходомером c помощью уменьшения рассеивания магнитной энергии.18
2 Метод увеличения точности измерения расхода со сложной кинематической структурой потока.20
3 Метод измерения расхода при изменяющемся уровне заполнения канала трубопровода.22
4 Метод снижения материалоемкости а также исключение поражения электрическим током.26
5 Метод увеличение точности измерения расхода электромагнитным расходомером при помощи коммутационного устройства.28
6 Метод увеличения точности электромагнитного расходомера исключением аддитивной погрешности.29
Список использованных источников34
Под расходом понимают количество вещества проходящее через данное сечение в единицу времени. Прибор измеряющий расход вещества называется расходомером. Основным элементом расходомера является преобразователь расхода который преобразует динамическое воздействие потока в некоторый сигнал поддающийся непосредственному измерению.
Расходомеры необходимы прежде всего для управления производством. Без них нельзя обеспечить оптимальный режим протекания технологических процессов в энергетике металлургии в химической нефтяной целлюлозно-бумажной и многих других отраслях промышленности. Эти приборы требуются также для автоматизации производства и достижения при этом максимальной его эффективности. Кроме того они требуются для проведения лабораторных и исследовательских работ.
Счетчики жидкости и газа необходимы для учета массы или объема нефти газа и других веществ транспортируемых по трубам и потребляемых различными объектами. Без измерения расхода очень трудно контролировать утечки и исключать потери ценных продуктов. Снижение погрешности измерений хотя бы на один процент может обеспечить значительный экономический эффект.
К расходомерам предъявляют разнообразные и противоречивые требования удовлетворить которым одновременно очень сложно и не всегда возможно. Требования:
Высокая точность измерения;
Высокая надежность (оценивается временем на продолжении которого прибор сохраняет свои метрологические характеристики). Наилучшей надежностью обладают расходомеры не имеющие подвижных частей;
Малая зависимость результатов измерений от изменения плотности вещества;
Быстродействие прибора (расходомер должен иметь быстродействие не более 0.5с и обеспечивать при этом приемлемую стабильность показаний);
Широкий динамический диапазон измерений. Верхнее значение ограничено максимальной скоростью движения жидкости и газа по трубопроводу (максимальная скорость движения воды в технологическом трубопроводе не превышает 10–12 мс газов – 30–35мс). Минимальный расход и скорость ограничены шумами средств измерения;
Широкий диапазон расходов подлежащих измерению;
Широкая номенклатура измеряемых сред (жидкости газы сыпучие материалы гомогенные и гетерогенные вещества пожароопасные и
взрывоопасные агрессивные и абразивные);
Обеспеченность метрологической базы;
В основном расходомеры требуют применения проливных способов поверки а для этого необходимо иметь проливные установки соответствующего класса точности. Для поверки расходомеров с классом точности 0.3 это создает существенные трудности так как такие установки достаточно сложны и дороги;
Большое разнообразие требований привело к появлению большого количества методов измерения расхода. Одни методы в лучшей степени соответствуют одним требованиям другие – другим. Все это привело к созданию большого количества различных видов расходомеров и счетчиков количества но ни один из них не может удовлетворить одновременно всем предъявляемым требованиям.
Существующие расходомеры и счетчики количества можно условно разделить на приведенные ниже группы:
A.Приборы основанные на гидродинамических методах:
)переменного перепада давления
B.Приборы с непрерывно движущимся телом:
)силовые (в том числе вибрационные)
)с автоколеблющимся телом.
C.Приборы основанные на различных физических явлениях:
D.Приборы основанные на особых методах:
С помощью новых технологических решений можно значительно улучшить метрологические характеристики любого средства измерения а это значит – расширить диапазон требований которым оно удовлетворяет. В данном курсовом проекте на примере некоторых патентов будет рассмотрено улучшение метрологических характеристик электромагнитных расходомеров.
Метрологические характеристики средств измерений
Метрологические характеристики – это характеристики влияющие на результат и погрешность измерений они позволяют осуществить оптимальный выбор приборов и проводить их сравнения. Все метрологические характеристики можно разделить на пять групп:
Характеристики влияющие на результат измерения (статическая характеристика (функция преобразования) чувствительность цена деления диапазон измерения);
Характеристики погрешностей средств измерений (погрешность гистерезиса абсолютная относительная случайная аддитивная систематическая мультипликативная нелинейная основная динамическая погрешности порог чувствительности);
Характеристики чувствительности к влияющим величинам (функция влияния дополнительная погрешность);
Динамические характеристики (дифференциальные уравнения частотные характеристики переходная характеристика передаточная функция постоянная времени и другие);
Характеристики взаимодействия с подключаемыми устройствами (входной и выходной импеданс и другие).
Статическая характеристика – это зависимость выходного информативного сигнала от входного в статическом режиме.
Чувствительность характеризует степень влияния входной величины на выходную и представляет собой отношение изменения выходной величины y к входной x вычисляется по [1] :
Порог чувствительности – это наименьшее уверенно фиксированное изменение выходной величины начиная с которого может осуществляться ее измерение.
Цена деления – величина между отметками шкалы выбирается не произвольно и позволяет ориентировочно оценить точность прибора.
Динамический диапазон измерений – это отношение максимального значения шкалы прибора к минимальному (не все приборы отмеряют от нуля).
Любое измерение как бы оно тщательно не проводилось неизбежно сопровождается ошибками (погрешностями) которые обусловлены не совершенством метода измерений конструкционными особенностями прибора и другими причинами.
Различают погрешности результата измерений и погрешности средств измерений. Погрешность результата измерения – это разница между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины. Истинное значение измеряемой величины – это значение идеальным образом отражающее свойство данного объекта как в количественном так и в качественном отношении. Понятие истинного значения абстрактно на практике оно заменяется действительным значением (экспериментальное значение близкое к истинному значению настолько что может быть использовано вместо него). Погрешность средства измерения – это разность между показаниями средства измерения и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.
Эти два понятия достаточно близки поэтому для их оценки используются одинаковые модели и очень часто они одинаково выражаются. По способу выражения погрешности делятся на абсолютные относительные и приведенные погрешности.
Абсолютная погрешность – это разность между измеренным и истинным значением вычисляется по [1]:
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины вычисляется по [1] формула (1.3):
Приведенная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к диапазону измерений вычисляется по [1] :
где – максимальное значение шкалы прибора;
– минимальное значение шкалы прибора.
По характеру проявления погрешности делятся на случайные и систематические. Случайная погрешность – это погрешность которая изменяется случайным образом при проведении повторных наблюдений. Систематическая погрешность – это погрешность которая остается постоянной или изменяется по известному закону при проведении повторных наблюдений.
По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают мультипликативные (прямо пропорциональны измеряемой величине) аддитивные (не зависят от измеряемой величины) нелинейные (нелинейная зависимость от измеряемой величины).
По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешности средств измерения. Основная погрешность – это погрешность которую имеет прибор при эксплуатации в нормальных условиях. Дополнительная погрешность – это погрешность возникающая при отклонении хотя бы одной влияющей величины за пределы установленные нормальными условиями.
В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин погрешности средств измерения делят на статические и динамические. Статическая погрешность – это погрешность средства измерения применяемого для измерения физической величины принимаемой за постоянную. Динамической называется погрешность средства измерения возникающая дополнительно при измерении переменной физической величины и обусловленная несоответствием его реакции на скорость изменения измеряемого сигнала.
Воздействие влияющих величин на метрологические характеристики средств измерения описывается функцией влияния – зависимостью изменения характеристик и параметров от изменения влияющей величины (совокупности величин).
Погрешность гистерезиса (обратного хода) – возникает из-за наличия люфтов в механических узлах и магнитных элементах. Погрешность гистерезиса является наиболее трудноустранимой ее оценкой является вариация.
Вариация – это средняя разность между значением выходной величины соответствующей одному и тому же значению входной величины и полученная при многократном и разностороннем подходе к этой величине.
На метрологические характеристики должны быть установлены нормы сведения о них указываются в нормативной документации на прибор (приложение к сертификату).
Первоначальные метрологические характеристики устанавливаются при разработке и испытании средств измерения. Они могут быть представлены или в виде номинальных функций преобразования (для статических характеристик для функций влияния) или в виде пределов допустимых значений (для погрешностей и др.). Если норма на метрологические характеристики берется в виде номинальных функций преобразований то эта функция задается в виде формулы таблицы графика а если норма на метрологические характеристики берется в виде предела допустимых значений то этот предел выбирается из ряда: где .
Для приборов погрешность нормируется классом точности под которым понимают совокупность не исключенных систематических и случайных погрешностей. Причем если преобладающей является мультипликативная погрешность то ее нормируют относительной погрешностью если преобладает аддитивная погрешность то она нормируется приведенной погрешностью. Класс точности ставиться на циферблате прибора (в первом случае значение класса точности указывается внутри круга во втором – без круга). Погрешность прибора нормируется только для рабочей части шкалы.
Документально нормирование средств измерений оформлено в ГОСТ 8009-84.
При использовании средства измерения принципиально важно знать степень соответствия информации об измеряемой величине содержащейся в выходном сигнале ее истинному значению. С этой целью для каждого средства измерения вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики. Любые патентные решения направлены на улучшение метрологических характеристик средства измерения. Так в патентах на электромагнитные расходомеры пытаются улучшить такие метрологические характеристики как динамический диапазон измерений (его расширение) погрешность измерений которая возникает за счет вибрации труб и многие другие (ее уменьшение). Расширение диапазона измерений и уменьшение погрешности прибора ведет к улучшению его качества следовательно расширяет его возможности в той сфере где он используется.
2 Номенклатура метрологических характеристик
Согласно [1] номенклатура МХ представлена следующим образом:
2.1. Характеристики предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки)
2.1.1. Функция преобразования измерительного преобразователя а также измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой отградуированной в единицах отличных от единиц входной величины f(x).
2.1.3. Цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры.
2.1.4. Вид выходного кода число разрядов кода цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.
2.2. Характеристики погрешностей средств измерений
2.2.1. Характеристики систематической составляющей s погрешности средств измерений выбирают из числа следующих: значение систематической составляющей s или математическое ожидание М[s] и средне квадратическое отклонение [s] систематической составляющей погрешности.
2.2.2. Характеристики случайной составляющей погрешности средств измерений выбирают из числа следующих:
среднее квадратическое отклонение [] случайной составляющей погрешности нормализованная автокорреляционная функция (T) или функция спектральной плотности () случайной составляющей погрешности.
2.2.3. Характеристика случайной составляющей H погрешности от гистерезиса - вариация Н выходного сигнала (показания) средства измерений.
2.2.5. В НТД(научно технической документации) на средства измерений конкретных видов или типов допускается нормировать функции или плотности распределения вероятностей систематической и случайной составляющих погрешности.
2.2.6. Характеристика погрешности средств измерений в интервале влияющей величины - такая же как и по п. 1.2.2.4.
2.3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам выбирают из числа следующих
2.3.1. Функции влияния ().
2.3.2.() значений MX средств измерений вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах.
2.4. Динамические характеристики средств измерений
2.4.1. Полная динамическая характеристика аналоговых средств измерений которые можно рассматривать как линейные.
Полную динамическую характеристику выбирают из числа следующих:
переходная характеристика h(t);
импульсная переходная характеристика g(t);
амплитудно-фазовая характеристика G(j);
амплитудно-частотная характеристика A() - для минимально-фазовых средств измерений;
совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик;
передаточная функция G(S).
2.4.2. Частные динамические характеристики аналоговых средств измерений которые можно рассматривать как линейные.
К частным динамическим характеристикам относят любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются:
коэффициент демпфирования
постоянная времени Т;
значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте A(0);
значение резонансной собственной круговой частоты 0.
2.4.3. Частные динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифровых измерительных приборов (ЦИП) время реакции которых не превышает интервала времени между двумя измерениями соответствующего максимальной частоте (скорости) fmax измерений а также цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).
Примерами частных динамических характеристик АЦП являются:
погрешность td датирования отсчета;
максимальная частота (скорость) измерений fmax.
Примером частных динамических характеристик ЦАП является время реакции преобразователя tr.
2.4.4. Динамические характеристики аналого-цифровых средств измерений (в том числе измерительных каналов измерительных систем и измерительно-вычислительных комплексов оканчивающихся АЦП) время реакции которых больше интервала времени между двумя измерениями соответствующего максимально возможной для данного типа средств измерений частоте (скорости) fmax измерений:
полные динамические характеристики (п. 2.4.1) эквивалентной аналоговой части аналого-цифровых средств измерений;
погрешность датирования отсчета
2.4.5. В НТД на цифровые средства измерений конкретных видов или типов наряду с установлением времени реакции или погрешности датирования отсчета можно устанавливать их отдельные составляющие такие как время задержки запуска время ожидания время преобразования время задержки выдачи результата и т.д.
2.4.6. Для АЦП и ЦАП динамические характеристики следует указывать с учетом времени выполнения служебных операций предусмотренных интерфейсом в котором выполнены устройства обмена информацией этих средств измерений.
2.5. Характеристики средств измерений отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия средств измерений с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов (таких как объект измерений средство измерений и т.п.).
Примерами характеристик этой группы являются входной и выходной импедансы линейного измерительного преобразователя.
2.6. Неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений.
Электромагнитные расходомеры. Принцип действия конструкция достоинства и недостатки
Одно из ведущих мест среди технологий измерения расхода занимают электромагнитные расходомеры и счетчики (ЭМРС). Преимущества ЭМРС обеспечили им широкое распространение в мировой практике измерения расхода разнообразных жидкостей.
Принцип действия ЭМРС основывается на явлении электромагнитной индукции: при движении проводника в магнитном поле в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) Е пропорциональная магнитной индукции В и скорости проводника V которая действует в направлении перпендикулярном к движению жидкости и магнитному полю (рисунок 2.1):
Рисунок 2.1: принципиальная схема ЭМРС.
В алгебраической форме уравнение (2.1) приобретет вид:
где D — диаметр трубопровода — расстояние между электродами.
Скорость измеряемой среды определяется зависимостью:
где Q — расход измеряемой среды
Из выражения (2.2) и (2.3) получим зависимость между измерительным сигналом Е и расходом Q: (2.4)
где ke— коэффициент пропорциональности который определяют в процессе калибрования.
Из выражения (2.4) видно что погрешность электромагнитного преобразователя может определяться величиной ke и измерением разности потенциалов Е.
Для измерения сред с электронной проводимостью к которым относятся расплавленные редкие металлы применяют ЭМРС с постоянным магнитным полем. К преимуществам таких расходомеров можно отнести отсутствие необходимости в источнике питания чувствительных элементов и легкость устранения влияний внешних переменных электромагнитных полей возможность измерения расхода веществ с низкой электрической проводимостью. Основным недостатком таких систем является невозможность применения данного метода для измерения расхода сред с ионной проводимостью в этом случае происходит поляризация электродов которая приводит к нарушению градуировки прибора и стабильности его работы.
Для предотвращения поляризации электродов применяют переменные магнитные поля. Индукция такого поля определяется формулой:
Учитывая выражение (2.5) зависимость (2.4) приобретет вид:
В ЭМРС с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует однако проявляются другие недостатки при измерении
- трансформаторный эффект когда в витке который образовывает жидкость в трубопроводе между соединительными проводами и вторичными приборами наводится трансформаторная ЭДС источник возникновения которой — первичная обмотка возбуждения магнитного поля;
- емкостный эффект возникает из-за большой разности потенциалов между системами возбуждения магнитного поля электродами и паразитной емкостью между ними;
-Переменное магнитное поле вызывает появление вихревых токов Фуко как в магнитопроводе так и в стенках трубопровода и в измеряемой жидкости. При небольшой толщине стенки и жидкости с ионной проводимостью вихревыми токами можно во многих случаях пренебречь. Вихревые токи возрастают с увеличением толщины стенки и могут оказать влияние на показания расходомеров в результате создания этими токами своего магнитного поля ослабляющего основное магнитное поле и вследствие увеличения фазового сдвига между полезным сигналом и током. Это затрудняет создание преобразователей расхода при больших давлениях измеряемого вещества;
-На измеряемую ЭДС может влиять электрическая емкость между цепью электромагнита и цепью проводов от преобразователя расхода до измерительного прибора;
-Блуждающие токи и внешние электромагнитные поля — возможные источники помех;
-Изменение напряжения и частоты питания обмотки электромагнита а также температуры последнего могут вызвать изменение индукции В магнитного поля а следовательно и измеряемой ЭДС
-Приближение железа магнитной системы преобразователя к насыщению вызывает усиление помех и рассеяния магнитного потока
-Явление поляризации электродов имеется и при переменном магнитном поле но во много раз в меньшей степени чем при постоянном поле. Чем больше частота поля тем больше оснований чтобы пренебречь им.
Для компенсации этих побочных эффектов и выделения полезного сигнала совершенствуют измерительные схемы. Если первые электромагнитные расходомеры использовали переменное магнитное поле сетевой (5060 Гц) частоты то в последнее время применяют квазистационарные магнитные поля сравнительно низкой частоты (единицы Гц) что позволяет избавиться от неинформативных квадратурных компонентов в измерительном сигнале. Причем верхняя частота формирования импульсного поля ограничена потерями на индукционные токи и постоянной времени установления магнитного поля а нижняя — временем поляризации электродов.
Принцип измерения также определяет и недостатки данного метода:
- величина ЭДС сильно зависит от влияния дополнительных факторов (изменение электрических характеристик поверхности изолирующего покрытия в трубе отложение осадков адсорбционные явления неисправности в измерительных цепях и т.п.);
- величина ЭДС имела по значению от нескольких микровольт в связи с чем ее сложно измерить;
- электрические схемы создания магнитного поля электроника для измерения довольно сложны и дорогостоящи;
- измеряются расходы только электропроводных жидкостей;
- измеряются амплитудные характеристики сигнала.
1 Особенности электромагнитного метода измерения расхода
Обычно ЭМРС состоят из:
- измерительного участка выполненного из диамагнитного материала с внутренним изоляционным покрытием и футеровкой;
- магнитной системы расположенной вне трубопровода;
- электродов размещенных по периметру трубопровода на его диаметре перпендикулярно направлению движения жидкости и силовым линиям магнитного поля.
Первичные преобразователи электромагнитных расходомеров не имеют частей которые выступают внутрь трубопровода сужений или изменений профиля. Благодаря этому гидравлические потери на приборе минимальны. Кроме того преобразователь расходомера и технологический трубопровод можно чистить и стерилизовать без демонтажа. Поэтому такие расходомеры используют в биохимической и пищевой промышленностях где доминирующими являются требования к стерильности измерений среды.
Измерительные каналы большинства современных ЭМРС имеют в основном фторопластовую футеровку которая является важным элементом конструкции первичных преобразователей. Материал футеровки определяет как технические (стабильность температур и давлений измеряемой среды на измерительном участке) так и эксплуатационные характеристики (надежность долговечность). В качестве изоляционного покрытия применяется: твердая резина полиэтилены полипропилены эмаль стекловолокно фторопласты в том числе армированные сеткой из нержавеющей стали для повышения прочности керамика и т.п.
Электродная система — важный узел ЭМРС чувствительная система которая измеряет величину ЭДС на электродах связанную зависимостью со средней скоростью потока. Электроды изготавливают из разных металлов которые имеют высокую коррозийную стойкость к измеряемой среде: включающие никель аустенитные стали разнообразные сплавы.
Вследствие термоударов вакуумирования и т.п. существует возможность вытекания рабочей среды по электродам. Кардинальное решение проблем утечки измеряемых сред сквозь элементы электродов — это отказ от контакта со средой и переход к бесконтактному (емкостному) принципу снятия сигнала который позволяет не только избежать утечки по электродам но и исключить их коррозию а также измерять расход жидкостей с низкой электропроводностью. К недостаткам такой конструкции можно отнести более высокую погрешность измерения менее стойкий измерительный сигнал и ограниченный ряд Ду первичных преобразователей с проточной частью выполненной из керамики.
В реальных условиях эксплуатации на метрологические характеристики ЭМРС влияют факторы которые необходимо учитывать как при создании измерительных приборов так и при их эксплуатации в этих условиях. К таким факторам относится:
) несимметричность распространения эпюры скорости измеряемой среды в канале преобразователя;
) искажение весовой функции(обьединяющие точки равного веса или вклада в разность потенциалов на электродах) которое вызывает фазовая неоднородность (осадок) среды;
) асимметричность распространения магнитного поля.
Довольно широкое применение получили ЭМРС с прямоугольным сечением измерительного канала первичного преобразователя расхода где профиль потока измеряемой среды не влияет на показания ЭМРС.
Если в воде есть осадок то футеровка канала расходомера не дает задерживаться отложениям из осадка и ржавчины. Материал футеровки постоянно совершенствуется таким образом чтобы вообще изолировать измерительный канал от наличия любых включений в измеряемой среде.
Применение усовершенствованных алгоритмов схем управления электромагнитной системой процессом получения и обработки измерительной информации позволяют существенно упростить конструкцию первичного измерительного преобразователя и повысить технологичность конструкции. Типичный динамический диапазон измерения расхода ЭМРС в несколько раз превышает динамические диапазоны ультразвуковых вихревых и тахометрических расходомеров. При этом для осесимметричных потоков показания ЭМРС не зависят от характера движения которое позволяет измерять очень низкие скорости соответствующие ламинарному режиму.
Диапазон измеряемых скоростей потока ЭМРС составляет от единиц миллиметров в секунду до 10-15 метров в секунду.
Погрешности измерения ЭМРС лежит в пределах 0.25-1% в диапазоне скоростей от 0.3 мc до максимума (диапазон 1:30). На меньших скоростях (0.03-0.3 мc) погрешность увеличивается но разброс между замерами (повторяемость) еще остается порядка 0.1-0.25%. Для многих применений например при использовании электромагнитных расходомеров в технологических установках стабильность и повторяемость гораздо важнее абсолютной точности.
Методика определения требуемого диаметра расходомера основана на правильной оценке рабочего диапазона скоростей среды. В большинстве случаев следует стремиться к скорости потока от 1 до 5 мc. Для коррозионных сред нормальной скоростью является диапазон от 1 до 3 мc. Скорость ниже указанной будет ухудшать точность измерений а превышение верхнего уровня сократит срок службы расходомера.
Также на точность показаний влияет растворенный в воде воздух. От него невозможно избавиться и его наличие приводит к завышению результатов измерений. Кроме того очень крупные пузыри (порядка размера электродов) приводят к сильному зашумлению выходного сигнала. В таких условиях рекомендуется применение расходомера с большим диаметром и более низкой скоростью потока.
Номинальная точность гарантируется при определенных условиях- например стандартным требованием является требование прямых участков: 5 диаметров до и 2 после расходомера.
Для исключения неопределенных значений на скоростях ниже зоны гарантированной работы следует предусматривать отсечку показаний вблизи ноля.
Важным условием нормальной работы магнитных расходомеров является электрическое заземление на рабочую среду по обоим концам канала потому что расходомер является частью цепи текущих через среду электрических токов. Плохое качество заземления приводит к сдвигу нуля на измерительном выходе расходомера.
При высоких требованиях к точности и постоянной работе на маленьких скоростях может потребоваться дополнительная периодическая очистка электродов от отложений так как в этом случае не обеспечивается эффективное промывание электродной зоны.
Универсальность электромагнитного метода измерения обуславливается также и широкими функциональными возможностями которые разрешают создать безынерционный измеритель с линейной градуированной характеристикой характер которой не зависит от физико-химических свойств измеряемой среды.
На сегодняшний день разработаны методики и проведены экспериментальные исследования созданных электромагнитных расходомеров для трубопроводов больших диаметров выполненных с использованием магнитогидродинамических преобразователей расхода с локальным магнитным полем. Такие расходомеры имеют линейную градуированную характеристику и погрешность измерения расхода не больше 10 %.
Достоинства электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества возможность применения в трубах любого диаметра отсутствие потери давления линейность шкалы необходимость в меньших длинах прямых участков труб чем у других расходомеров высокое быстродействие возможность измерения агрессивных абразивных и вязких жидкостей. Но электромагнитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и пара а также жидкостей диэлектриков таких как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкости у которых удельная электрическая проводимость не менее 10 Смм. Можно измерить водопроводную воду щелочи кислоты и другие жидкости применяемые в химической промышленности соки сиропы и разнообразные жидкости в пищевой промышленности различные водные растворы в алюминиевой и других отраслях промышленности сточные жидкости и т. п. С помощью особых электрических измерительных схем предел применения рассматриваемых расходомеров повышен до 10 Смм.
Помимо измерения расхода различных жидкостей и пульп с ионной проводимостью а также расхода расплавленных металлов электромагнитный метод применяется для измерения расхода крови в медицинской и физиологической практике а также для измерения скорости морских течений и воды в открытых руслах.
Но применение специальных устройств позволит существенным образом снизить требования к электропроводности измеряемой среды и создать электромагнитные расходомеры для измерения расхода любых жидкостей в том числе нефтепродуктов.
Следующим шагом исследований и разработок станет гибридное питание ЭМРС с резервным питанием от встроенных аккумуляторов и наконец полностью автономное.
Сегодня перед исследователями также стоит задача разработки методов определения связи исходящего сигнала электромагнитного преобразователя (ЭМП) с его конструктивными и геометрическими параметрами и измеряемыми величинами. В этом плане перспективными являются формулирование и решение задач синтеза ЭМП с целью создания совершенного современного с низкой материалоемкостью средства измерения.
Таким образом электромагнитный метод измерения расхода позволяет создавать измерительные приборы с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Итак при проектировании современных ЭМРС необходимо решать ряд задач основными из которых являются следующие:
) измерение в трубопроводах большого диаметра;
) измерение сред с низкой проводимостью;
) возможность использования приборов в автономном режиме питания и передачи информации на большие расстояния без потерь и искажений.
Задачи которые должны решаться при проектировании приборов измерения расхода основанных на электромагнитном методе содержат в себе определенные противоречия. Применение микропроцессорной техники и осложнение алгоритмов обработки сигналов которая разрешит выделить слабую информативную составную в спектре неинформативных множеств дает разрешимость этих задач.
Проведение исследований расходомеров счетчиков алгоритмов и процессов обработки с целью их усовершенствования нужно производить при условиях близких к эксплуатационным [2]. Но реально сделать это довольно тяжело поэтому необходимо развивать методы компьютерного моделирования которые бы совершенствовали не только математическую модель измерителя но и имитировали бы близкие к эксплуатационным условия работы .
Методы улучшения метрологических характеристик электромагнитных расходомеров.
1 Увеличения точности измерения расхода электромагнитным расходомером c помощью уменьшения рассеивания магнитной энергии.
Технический результат создаваемый изобретением [3] является то что обеспечиваеться уменьшение рассеяние магнитной энергии увеличиваеться экранирования от внешних магнитных полей без значительного повышения стоимости прибора.
Расходомер содержит выполненный из алюминия трубчатый корпус в котором размещен участок трубопровода изготовленного из немагнитного материала и покрытого внутри слоем неэлектропроводной изоляции (например фторопластом). Трубопровод помещен между полюсами электромагнита и снабжен электродами. По разные стороны от электромагнита на трубопровод надеты две установленные параллельно друг другу пластины соединенные двумя скобами каждая из которых проходит через соответствующий сердечник образующие магнитопровод. В варианте расходомера часть каждой пластины магнитопровода сопряженная со скобой выполнена в форме части окружности а скоба выполнена в форме цилиндрической поверхности радиус которой равен радиусу окружности пластины. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности и точности измерения благодаря тому что магнитопровод выполняет функцию магнитного экрана.
Рис 3.1 Электромагнитный расходомер с уменьшением рассеивания магнитной энергии.
неэлектропроводная изоляция
полюса электромагнита
Изменение конструкции магнитопровода приводит к изменению конфигурации магнитных силовых линий в расходомере: ликвидированы дополнительные магнитные цепи образованные электромагнитом и фланцами корпуса. Из-за того что магнитопровод экранирует большую часть электромагнита он выполняет функцию защитного экрана. Технический результат который при этом достигается заключается в уменьшении потерь магнитного поля за счет уменьшения его рассеяния и увеличении экранирующих свойств магнитопровода от воздействия внешних магнитных полей.
Изобретение иллюстрируется чертежами где рис 3.1-3.2 - схематическое изображение электромагнитного расходомера (виды спереди и сбоку);рис 3.3 - пластина магнитопровода.
Электромагнитный расходомер (рис 3.1) содержит корпус 1 выполненный из алюминия и имеющий форму трубы. В корпус помещен участок трубопровода 2 выполненного из немагнитного материала. Внутренняя поверхность трубопровода покрыта слоем 3 неэлектропроводной изоляции например фторопластом. Трубопровод установлен между полюсами электромагнита 4. В трубопроводе установлены электроды 5. Они должны быть установлены в плоскости перпендикулярной направлению силовых линий поля электромагнита. По обе стороны электромагнита на трубопровод 2 надеты две пластины 6 (рис 3.2) установленные параллельно друг другу.
Пластины 6 соединены друг с другом скобами 7 которые установлены параллельно оси трубопровода 2 и жестко соединены с соответствующим сердечником электромагнита. Часть каждой пластины магнитопровода сопряженная со скобой выполнена в форме части окружности а скоба выполнена в форме цилиндрической поверхности радиус которой равен радиусу окружности пластины. Скобы и пластины выполнены из электротехнической стали. Ширина скоб может быть равна ширине пластин но может быть и шире. Во втором случае экранирующие свойства магнитопровода будут лучше.
Измерения показывают что при выполнении расходомера в соответствии с описанной выше конструкцией потери магнитного поля сокращаются на 20-25 процентов.
2 Метод увеличения точности измерения расхода со сложной кинематической структурой потока.
Технический результат создаваемый изобретением [4] является то что он может точно измерять расход жидкостей со сложной кинематической структурой потока.
Рис3.4 Электромагнитный расходомер для измерения расхода со сложной кинематической структурой потока.
Магнитопровод цилиндрической формы
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения расхода при сложных распределениях скорости потока в рабочем объеме канала расходомера. Эта цель достигается тем что в предлагаемом расходомере имеется возможность вычислять расход с учетом поправки на ассимметрию распределения скорости по двум взаимно ортогональным направлениям поперечного сечения канала.
Как известно любую сложную кинематическую структуру потока можно представить как сумму двух структур описываемых по взаимно ортогональным направлениям поперечного сечения канала пересекающимся в центре канала.
Отличием расходомера том что он имеет два одинаковых ЧЭ размещенных рядом на одной трубе но развернутых по оси канала относительно друг друга на 90 градусов. Труба с двумя ЧЭ охвачена одним общим цилиндрическим магнитопроводом причем ось магнитопровода совпадает с осью канала. Для того чтобы рабочие сечения канала с электродами обоих ЧЭ были бы максимально приближены индукционные катушки расположены на трубе в шахматном порядке в два ряда таким образом что смежные катушки практически примыкают своими гранями ромба друг к другу а острыми углами ромба к электродам. При этом каждая пара электродов и пара индукционных катушек взаимно расположены на трубопроводе по традиционной схеме электромагнитного расходомера. Каждая индукционная катушка расположена на трубе короткой диагональю вдоль образующей трубы а длинной диагональю - по периметру трубы. Причем катушки на трубе располагаются таким образом что длинные оси ромба катушек составляют часть периметра трубы на котором расположены электроды а наружная сторона каждой катушки острыми углами ромба близко примыкает к электродам установленным на трубе противоположно друг другу по диаметру канала.
Причем плоскости проходящие через линию соединяющую электроды и ось трубы каждого ЧЭ повернуты относительно друг друга вокруг оси канала на 90 градусов. Измерительное устройство обеспечивает измерение сигналов электродов и токов питания у двух ЧЭ. Алгоритм вычисления расхода имеет вид.
где величины U11 U12 I11 I12относятся к первому ЧЭ U21 U22 I21 I22относятся ко второму ЧЭ. U11 I22 - напряжение между электродами первого ЧЭ и ток питания индуктора при согласном включении катушек возбуждения магнитного поля U21 I22 – напряжение между электродами второго ЧЭ и ток питания индуктора при согласном включении катушек возбуждения магнитного поля U12 I22 - напряжение между электродами и ток питания индуктора первого ЧЭ при встречном включении катушек возбуждения магнитного поля U22 I22 - напряжение между электродами и ток питания индуктора второго ЧЭ при встречном включении катушек возбуждения магнитного поля. b и с - коэффициенты определяемые расчетным или экспериментальным методами.
Таким образом вычисляются поправки на асимметрию потока по двум взаимно перпендикулярным направлениям поперечного сечения канала. Одна поправка определяется по линии перпендикулярной плоскости проходящей через ось канала и пару электродов первого ЧЭ а другая - по линии перпендикулярной плоскости проходящей через ось канала и пару электродов второго ЧЭ.
Благодаря этому обеспечивается повышение точности измерения расхода при сложном профиле скорости потока (т.е. при сложной кинематической структуре потока).
Конструкцию электромагнитного расходомера поясняют чертежом.
На чертеже изображена схема расположения катушек и электродов на трубе расходомера. Электромагнитный расходомер имеет трубу 1 выполненную из немагнитного и неэлектропроводного материала. В трубе установлены две пары электродов. Электроды 2 каждой пары расположены по периметру трубы диаметрально друг к другу в двух разных плоскостях поперечного сечения канала. Упомянутые сечения канала в которых расположены соответствующие пары электродов размещены по оси трубы на расстоянии равном приблизительно половине внешнего размера короткой диагонали ромбовидной индукционной катушки. Причем плоскости проходящие через соответствующие пары электродов и ось канала находятся под углом 90 градусов друг к другу. На внешней поверхности трубы расположены в шахматном порядке в два ряда четыре ромбовидные индукционные катушки. Каждая катушка 3 короткой диагональю ромба расположена вдоль образующей трубы а длинной диагональю ромба по периметру трубы. Между острыми углами смежных катушек расположены электроды а гранями ромба индукционные катушки близко расположены друг к другу. Расходомер имеет магнитопровод 4 цилиндрической формы. Он расположен соосно с трубой и охватывает трубу с электродами и четырьмя индукционными катушками.
Работа расходомера состоит в следующем. На горизонтальном участке технологического трубопровода расходомер устанавливается таким образом чтобы оси соединяющие каждую пару электродов находились под углом 45 градусов к горизонтальной плоскости. С помощью измерительного устройства производится периодическое и последовательное подключение индукционных катушек и электродов каждого ЧЭ к общему источнику питания. Вследствие протекания тока по виткам индукционных катушек в рабочем объеме канала возбуждается магнитное поле направленное перпендикулярно плоскости проходящей через ось электродов и ось канала соответствующего ЧЭ. При движении электропроводной жидкости по каналу трубы в его рабочем объеме согласно закону Фарадея индуцируется электрическое поле напряженность которого пропорциональна скорости потока жидкости. Расходомер имеет измерительное устройство с помощью которого измеряются разность потенциалов между электродами каждого ЧЭ и ток питания индукционных катушек. Измерение сигналов каждого ЧЭ производится по очереди в двух режимах. Один из режимов измерения соответствует традиционному включению индукционных катушек к источнику питания при котором магнитные поля катушек взаимно складываются. А другой режим измерения соответствует встречному включению индукционных катушек к источнику питания при котором магнитные поля катушек взаимно вычитаются. При первом режиме измерения сигнал между электродами каждого ЧЭ характеризует приблизительно среднюю скорость потока а при втором режиме измерения сигнал между электродами характеризует асимметрию распределения скорости потока по линии перпендикулярной плоскости проходящей через оси электродов и канала. Значение объемного расхода Q определяется по формуле (3.2).
3 Метод измерения расхода при изменяющемся уровне заполнения канала трубопровода.
Технический результат создаваемый изобретением [5] является то что он позволяет расширить функциональные возможности электромагнитного способа измерения расхода: измерять расход при изменяющемся уровне заполнения канала трубопровода с высокой чувствительностью как к скорости потока так и к изменению площади "живого" сечения потока.
Рис 3.5 Электромагнитный расходомер для измерения расхода в трубах большого диаметра при изменяющемся уровне заполнения канала.
- участок трубопровода выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала .
корпус расходомера одновременно являющийся магнитопроводом
и 3’-две катушки возбуждения расположенные на трубопроводе их общая ось совпадает с осью канала а плоскости витков параллельны поперечному сечению канала
и 4’- две катушки возбуждения их общая ось перпендикулярна оси канала
и 5’- пара электродов расположенная по диаметру канала соединяющая их линия перпендикулярна оси канала
и 6’- пара электродов расположенная по хорде параллельной линии электродов 5 и 5'
Предлагаемый электромагнитный расходомер имеет дополнительно две катушки возбуждения с общей осью совпадающей с осью канала расходомера. Эти дополнительные катушки расположены на трубопроводе включены навстречу друг другу и равноудалены от центрального сечения канала в котором расположены электроды.
На рис 3.6 изображено распределение магнитного поля в канале вызванное различными парами катушек возбуждения. На рис 3.6 а изображено распределение магнитного поля образованное двумя катушками возбуждения общая ось которых перпендикулярна оси канала где 1 -трубопровод 2 - корпус и одновременно магнитопровод 4 и 4' - катушки возбуждения общая ось которых перпендикулярна оси канала 5 и 5' - электроды расположенные по диаметру канала 6 и 6' - электроды расположенные по хорде 7 - силовые линии магнитного поля. На рис 3.6б изображено распределение магнитного поля в канале образованное катушками возбуждения общая ось которых совпадает с осью канала где 1 -трубопровод 2 - корпус и одновременно магнитопровод 3 и 3' - катушки возбуждения общая ось которых совпадает с осью канала 7 - силовые линии магнитного поля. На рис 3.6 в изображено распределение магнитного поля в центральном сечении канала (где расположены электроды) образованное двумя катушками возбуждения общая ось которых совпадает с осью канала где 1 -трубопровод 2 - корпус и одновременно магнитопровод 5 и 5' - пара электродов расположенная по диаметру канала 6 и 6'-пара электродов расположенная по хорде 8 -радиальная компонента магнитного поля.
На рис. 3.7 изображена схема расходомера где 1 - трубопровод 3 и 3' - катушки возбуждения общая ось которых совпадает с осью канала 4 и 4' - катушки возбуждения общая ось которых перпендикулярна оси канала 5 и 5' - пара электродов расположенная по диаметру канала 6 и 6' -пара электродов расположенная по хорде 9 -коммутатор 10 - источник питания 11 -измерительный канал сигнала снимаемого с пары электродов 5 и 5' 12 - измерительный канал сигнала снимаемого с пары электродов 6 и 6' 13 - вычислитель.
Работа расходомера состоит в следующем.
Если уровень жидкости в канале находится между полным заполнением и половиной поперечного сечения канала то измерение расхода производится путем обработки сигналов снимаемых с пары электродов которые расположены по диаметру канала (5 и 5' рис. 3.7). Если уровень заполнения находится ниже расположения электродов 5 и 5' то сигнал с 5 них будет отсутствовать по причине разомкнутости электродов электропроводной жидкостью. В этом случае измерение расхода осуществляется путем обработки сигналов снимаемых только с пары электродов которые расположены по хорде (6 и 6' рис. 3.7) и омываются измеряемой средой.
Измерение расхода осуществляется при двух режимах включения катушек возбуждения которые создаются поочередно.
Когда к источнику питания подключены катушки ось которых перпендикулярна оси канала то в центральном сечении канала образуется в основном вертикальная компонента магнитного поля рис 3.6а; в этом случае сигнал возбуждаемый на электродах определяется средней скоростью потока и мало зависит от уровня заполнения канала. Сигнал снимаемый с электродов запоминается вычислителем. Затем отключаются катушки возбуждения 3 и 3' и источник питания 10 подключается к катушкам 4 и 4' общая ось которых совпадает с осью канала (рис. 3.7). Поскольку эти катушки включены навстречу друг другу то в центральном сечении канала возникает значительная радиальная компонента магнитного поля которая резко изменяется по радиусу трубы быстро уменьшаясь к центру канала до нуля (рис3.6.бв).
Сигнал возникающий от взаимодействия этого магнитного поля с потоком жидкости обладает высокой чувствительностью к изменению уровня заполнения канала и скорости движения измеряемой среды. При полном заполнении канала сигнал между электродами 5 и 5' равен нулю в силу полной симметрии электрического поля относительно линии 5-5'. По мере снижения уровня жидкости сигнал на электродах 5 и 5' увеличивается и достигает максимального значения когда уровень приближается к линии соединяющей рассматриваемую пару электродов. В том случае если уровень жидкости опустился ниже расположения электродов 5 и 5' то измерение расхода и уровня производится по сигналам снимаемым с электродов 6 и 6'. Полученный сигнал запоминается вычислителем. По результатам измерений соответствующих двум режимам питания катушек возбуждения вычисляется объемный расход жидкости и уровень заполнения канала.
Рис 3.6 Общий вид электромагнитного расходомера при изменяющемся уровне заполнения канала трубопровода.
Рис 3.7 структурная схема электромагнитного расходомера
при изменяющемся уровне заполнения канала трубопровода.
4 Метод снижения материалоемкости а также исключение поражения электрическим током.
Технический результат создаваемый изобретением [6] является упрощение конструкции снижение материалоемкости исключение опасности поражения электрическим током.
Рис 3.8 Структурная схема электромагнитного расходомера исключающая поражение электрическим током.
Сущность изобретения: устройство содержит первичный 1 и передающий 2 измерительные преобразователи немагнитную трубу 3 электроды 4 постоянный магнит 5 блок сравнения 6 блок формирования импульсов "Запись" 7 реверсивный счетчик 8 блок формирования импульсов "Сброс" 9 цифроаналоговый преобразователь 10 генератор импульсов 11 блок памяти 12 блок индикации 13 блок формирования унифицированного аналагового сигнала .
Улучшения достигаются тем что в электромагнитном расходомере состоящем из первичного измерительного преобразователя включающего немагнитную трубу с установленными в ней диаметрально противоположно двумя электродами и формирователь магнитного поля а также передающего измерительного преобразователя формирователь магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита а передающий измерительный преобразователь содержит блок сравнения вход которого соединен с одним из электродов первичного измерительного преобразователя блок формирования импульса "Запись" вход которого соединен с выходом блока сравнения реверсивный счетчик вход которого соединен с выходом блока сравнения блок формирования импульса "Сброс" вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика цифроаналоговый преобразователь вход которого соединен с выходом блока формирования импульса "Сброс" а выход через потенциометр соединен с другим электродом первичного преобразователя генератор импульсов выход которого соединен с входами цифро-аналогового преобразователя и реверсивного счетчика блок памяти входы которого соединены с выходами блока формирования импульса "Запись" и реверсивного счетчика блок индикации вход которого соединен с выходом блока памяти блок формирования унифицированного сигнала вход которого соединен с выходом блока памяти.
На рис 3. 8 изображена электрическая функциональная схема расходомера; Расходомер состоит из первичного измерительного преобразователя 1 и передающего измерительного преобразователя 2.
Первичный измерительный преобразователь включает в себя немагнитную трубу 3 с установленными в ней диаметрально противоположно двумя электродами 4 и постоянный магнит 5 расположенный так чтобы электроды находились в середине зоны магнитного поля.
Передающий измерительный преобразователь включает в себя блок сравнения 6 блок формирования импульсов "Запись" 7 реверсивный счетчик (PC) 8 блок формирования импульсов "Сброс" 9 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10 генератор импульсов 11 блок памяти 12 блок индикации13 блок формирования унифицированного аналогового сигнала 14.
Расходомер работает следующим образом. Импульсы с генератора 11 поступают на ЦАП 10 и PC 8. На выходе ЦАП формируется ЭДС (Ек) постоянного тока пропорциональная числу импульсов поступающих на ЦАП и через потенциометр RP поступает на электрод первичного измерительного преобразователя. С другого электрода первичногоизмерительного преобразователя ЭДС (Еизм) через блок сравнения 6 поступает на PC 8 и блок формирования импульсов "Запись" 7. При Еизм > Ек импульсы поступающие с генератора 11 на PC 8 суммируются а при Еизм Ек - вычитаются. При Еизм = Ек схема сравнения выдает сигнал управленияна PC 8 и сигнал "Запись" на схему "Память"12. Таким образом Еизм пропорциональна числу импульсов поступающих на PC 8. Сигнал управления "Сброс" будет сформирован блоком 9 при обнулении PC 8 последним импульсом вычитания. После сигнала "Сброс" цикл повторяется.
5 Метод увеличение точности измерения расхода электромагнитным расходомером при помощи коммутационного устройства.
Технический результат создаваемый изобретением [7] является возможность использования первичного преобразователя расхода от расходомера общепромышленного применения без изменения его конструкции. Изменениям подлежат только схема измерения прибора и программное обеспечение
Электромагнитный расходомер имеющий две индукционные катушки источник питания измерительно-вычислительное устройство вход которого подсоединен к электродам и интегрирующее устройство причем управляющие цепи измерительно-вычислительного устройства соединены с источником питания и интегрирующим устройством отличающееся тем что имеется коммутационное устройство управляющая цепь которого соединена с измерительно-вычислительным устройством.
Работа расходомера состоит в следующем. Расходомер работает в двух режимах периодически переключаемых с помощью коммутационного уст-
Рис 3.9 Структурная схема электромагнитного расходомера с коммутационным устройством.
индукционные катушки
измерительно-вычислительное устройство
коммутационное устройство
интегрирующее устройсво
ройства: в режиме измерения разности потенциалов между электродами и в режиме измерения магнитной проницаемости измеряемой среды. Первый режим измерения соответствует исходному положению коммутационного устройства изображенному на чертеже. Второй режим соответствует положению коммутационного устройства переключенному относительно исходного.
В первом режиме схема соединений индукционных катушек соответствует их последовательному включению к источнику тока питания. Вследствие протекания переменного тока по виткам обоих индукционных катушек в рабочем объеме канала возбуждается переменное магнитное поле направленное перпендикулярно плоскости проходящей через ось электродов и ось канала. При движении электропроводной жидкости по каналу трубы в его рабочем объеме согласно закону Фарадея индуцируется электрическое поле напряженность которого пропорциональна скорости потока жидкости. Разность потенциалов между электродами U определяется выражением .
где - магнитная проницаемость измеряемой среды Н - напряженность "магнитного поля
в канале трубы V - скорость потока измеряемой среды D - диаметр канала.
В режиме измерения магнитной проницаемости измеряемой среды к источнику тока питания подключена только одна индукционная катушка. При этом вторая индукционная катушка подключена к интегрирующему устройству. В этом режиме измерения вторая индукционная катушка выполняет функции индукционной катушки опорного сигнала. При этом выполняется измерение согласно выражению
Расход измеряемой среды вычисляется в результате обработки измерений обоих режимов с помощью измерительно-вычислительного устройства по формуле.
где а0 - градуировочный коэффициент.
6 Метод увеличения точности электромагнитного расходомера исключением аддитивной погрешности.
Технический результат создаваемый изобретением [8] является
исключение аддитивной погрешность измерения вызванной амплитудой и фазовой погрешностью составляющих магнитного поля обусловленной потерями в цепи возбуждения преобразователя расхода.
Точность измерения расхода увеличивается также из-за исключения влияния фазовых погрешностей и помех в цепи формирования знакового сигнал.Электромагнитный расходомер содержит генератор 1 импульсов счетчик 2 ПЗУ 3ЦАП 4. Дифференциальный усилитель 5. В состав расходометра входят также преобразователь 6 расхода повторитель 7 напряжения интегратор 8. Выходы интегратора преобразователя расхода ПЗУ соединены с входами фазочувствительного измерителя 9 отношения.
Рис 3.10 Структурная схема электромагнитный расходомер исключающий аддитивную погрешность.
Расходомер содержит последовательно соединенные генератор 1 импульсов счетчик 2 постоянное запоминающее устройство 3 цифроаналоговый преобразователь 4 дифференциальный усилитель 5 преобразователь 6 расхода повторитель 7 напряжения выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя 5. Кроме того расходомер содержит интегратор 8 вход которого соединен с выходом повторителя 7 и фазочувствительный измеритель 9 отношения первый вход которого соединен с вторым выходом преобразователя 6 расхода второй вход с выходом интегратора 8 а третий вход - с вторым выходом постоянного запоминающего устройства 3.
Расходомер работает следующим образом.
Под действием цифрового сигнала поступающего с генератора 1 счетчик 2 вырабатывает код значение которого линейно изменяется во времени. Этот код поступая на адресный вход постоянного запоминающего устройства 3 воспроизводит при помощи цифроаналогового преобразователя 4 вход которого соединен с выходом данных постоянного запоминающего устройства 3 записанную в постоянное запоминающее устройство 3 функцию в соответствии с выражением
Этот сигнал через усилитель 5 поступает на обмотку возбуждения преобразователя 6 расхода при помощи которой в активной зоне этого преобразователя создается магнитное поле.
В активную зону преобразователя 6 расхода встроен преобразователь индукции магнитного поля выходной сигнал которого через повторитель 7 поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 5 образуя цепь обратной связи. Передача цепи обратной связи определяется преобразователем индукции напряжение на выходе которого равное напряжению обратной связи определяется выражением.
где W2 S2 - количество и площадь витков преобразователя индукции;
В - индукция магнитного поля преобразователя расхода. Это выражение справедливо для работы преобразователя индукции на достаточно высокоомную нагрузку. Для выполнения этого условия в схеме предусмотрен повторитель 7 имеющий высокое входное сопротивление а катушка индуктивности преобразователя индукции выполнена с малой собственной емкостью.
Коэффициент передачи усилителя охваченного отрицательной обратной связью определяется выражением
Магнитное поле создаваемое при этом в активной зоне преобразователя расхода имеет следующую структуру .
Под действием этого поля на электродах преобразователя 6 расхода вырабатывается сигнал пропорциональный скорости движения жидкости который поступает на вход основного сигнала фазочувствительного измерителя 9 отношения. Структура сигнала определяется выражением (3.9). Сигнал преобразователя индукции преобразователя б расхода через повторитель 7 и интегратор 8 поступает на вход опорного сигнала фазочувствительного измерителя 9 отношения. Очевидно структура этого сигнала также определяется выражением (3.9). На вход управления фазочувствительным детектором фазочувствительного измерителя 9 отношения поступает цифровой знаковый сигнал с дополнительного выхода постоянного запоминающего устройства 3 определяемый выражение
где Sg - логическая функция знака низкочастотной составляющей магнитной индукции.
Значения знакового сигнала записаны в постоянное запоминающее устройство 3 синфазно с функцией в соответствии с выражением (3.6) т.е. это означает что каждому значению времени выражения (3.6) и равного ему значению в выражении (3.10) соответствует адрес постоянного запоминающего устройства по которому записываются значения функции в соответствии с выражениями (3.6) и (3.10). Фазочувствительный измеритель 9 отношения осуществляет комммутацию знаков основного и опорного сигналов по закону определяемому знаковым сигналом и измеряет отношение средневыпрямленных значений полученных после коммутации сигналов. При этом подавляется синфазная составляющая остаточного сигнала не зависящая от частоты питания наиболее характерная для трансформаторной помехи преобразователя расхода структура которой определяется выражением.
Составляющая остаточного сигнала пропорциональная частоте питания наиболее характерная для емкостной помехи также подавляется. Структура этой составляющей определяется выражением (3.12)
Как следует из выражений (3.11) и (3.12) средневыпрямленные значения названных составляющих определяются выражениями
Из этих выражений видно что измерение средневыпрямленного значения по приведенному алгоритму позволяет исключить составляющие остаточного сигнала нулевой и первой степени частоты питания преобразователи расхода.
При выполнения курсового проекта были найдены некоторые способы по улучшению метрологических характеристик электромагнитных расходомеров. К недостаткам таких расходомеров можно отнести: величина ЭДС сильно зависит от влияния дополнительных факторов (изменение электрических характеристик поверхности изолирующего покрытия в трубе отложение осадков адсорбционные явления неисправности в измерительных цепях и т.п.); величина ЭДС имеет значение от нескольких микровольт в связи с чем ее сложно измерить; электрические схемы создания магнитного поля электроника для измерения довольно сложны и дорогостоящи; измеряются расходы только электропроводных жидкостей; измеряются амплитудные характеристики сигнала.
В результате выполнения курсового проекта удалость найти несколько способов по улучшению метрологических характеристик электромагнитных расходомеров некоторые из них были рассмотрены более подробно. На основе некоторых патентов были рассмотрены конструкторские решения благодаря которым достигаются следующие улучшения: уменьшение рассеяние магнитной энергии увеличение экранирования от внешних магнитных полей без значительного повышения стоимости прибора; точное измерении расхода жидкостей со сложной кинематической структурой потока; измерение расхода при изменяющемся уровне заполнения канала трубопровода с высокой чувствительностью как к скорости потока так и к изменению площади "живого" сечения потока; упрощение конструкции снижение материалоемкости исключение опасности поражения электрическим током; а также возможность использования первичного преобразователя расхода от расходомера общепромышленного применения без изменения его конструкции изменениям подлежат только схема измерения прибора и программное обеспечение; исключение аддитивной погрешность измерения вызванной амплитудой и фазовой погрешностью составляющих магнитного поля обусловленную потерями в цепи возбуждения преобразователя расхода. Кроме того точность измерения расхода увеличивается также из-за исключения влияния фазовых погрешностей и помех в цепи формирования знакового сигнала;
Список использованных источников
ГОСТ 8.009-84 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.
Кремлёвский П.П. Расходомеры и счётчики количества вещества. – С-П.: Политехника 2004.
Электромагнитный расходомер для измерения расхода электропроводных жидкостей: Ru 272998C2 G 01 F 156 Кавригин С.Б. Лосев В.Е; Закрытое акционерное общество “взлет”. –5с.: ил.
Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметров RU 2161778 C1 6 G 01 F 156 Вельт И.Д. Калашникова Г.В.;ОАО НИИТеплоприбор. – 5с.:ил.
Электромагнитный расходомер для для измерения расхода жидкостей с ионной проводимостью RU 2080560 C1 6 G 01 F 158 Афонин В.Н. Кесаринский Л.Н;ОАО машиностроительный завод. – 2с.:ил.

elektromag.cdw

Структурная схеиа снижения материалоемкости
и исключение поражения электрическим током .рис 3.8
Метод измерения расхода при изменяющемся
уровне заполнения трубопровода
с большим диаметром труб рис 3.5;3.6;3.7.
Структурная схема увеличения точности измерения расхода
исключением аддитивной погрешности рис 3.10.
Увеличения точности измерения расхода
электромагнитным расходомерам с помощью уменьшения
рассеивания магнитной энергии рис3.1;3.2;3.3.
Структурная схема увеличения точности измерения
расхода c помощью коммутационного устройства рис 3.9
Метод увеличения точности измерения со сложной
кинематической структурой потока. рис3.4
Пояснение к рис 3.12
электроды для съема ЭДС
электронный усилитель
источник питания магнита
Пояснение к рис 3.11
электрод для съема ЭДС
скорость движения жидкости
индуктированное напряжение
расстояние между электродами
Пояснение к рис 3.1;3.2;3.3.
неэлектропроводная изоляция
полюса электромагнита
Пояснение к рис 3.10
постоянное запоминающее устройст
цифроаналоговый преобразователь
дифференциальный усилитель
преобразователь расхода
повторитель напряжения
фазочувствительный измеритель
первичный измерительный преобразователь
передающий измерительный преобразователь
блок формирования импульсов "запись
блок формирования импульсов "сброс
блок формирования унифицированного аналогового сигнала
Пояснение к рис 3.5;3.6;3.7
немагнитный неэлектропроводный материал
силовые линии магнитного поля
радиальная компонента магнитного поля
измерительный канал сигнала
измерительный сигнал
индукционные катушки
измерительно вычислительное устройство
коммутационное устройство
интегрирующае устройство
Принципиальная схема электромагнитного расходомера 3.12
Конструкция электромагнитного расходомера рис 3.11