5.2. Безконтактні витратоміри
- Електромагнітні витратоміри
Принцип дії електромагнітних витратомірів грунтується на законі електромагнітної індукції – законі Фарадея, згідно якого, в провіднику, який перетинає магнітні силові лінії, індукується ЕРС, що є пропорційною швидкості переміщення даного провідника.
Якщо використати в якості провідника потік електропровідної рідини, яка протікає між полюсами магніту і виміряти неведену в рідині ЕРС, то можна визначити швидкість потоку або об’ємну витрату рідини.
Схема електромагнітного витратоміра наведена на рис. 5.7.
Рис. 5.7. Схема електромагнітного витратоміра з
постійним магнітним полем:
1 – трубопровід; 2, 3 – полюси магніту; 4 – електровимірювальний прилад, шкала якого проградуйована в одиницях витрати
Трубопровід
1, виконаний з немагнітного матеріалу
(фторопласт, ебоніт тощо) з рідиною яка
в ньому протікає, поміщено між полюсами
2 і 3 магніту (електромагніту) перепендикулярно
напрямку силових ліній магнітного поля.
В стінці трубопроводу діаметрально
протилежно з внутрішньої поверхні труби
змонтовані вимірювальні електроди. Під
дією магнітного поля іони, що знаходяться
в рідині, переміщуються і віддають свої
заряди вимірювальним електродам,
створюючи на них ЕРС
,
яка є пропорційною швидкості потоку
рідини. До електродів підключено
вимірювальний прилад 4, з шкалою
проградуйованою в одиницях витрати.
Величина ЕРС у випадку постійного магнітного поля, визначиться з основного рівняння електромагнітної індукції
,
(5.16)
де
- магнітна індукція в зазорі між полюсами
магніту;
- внутрішній діаметр трубопровода
(довжина провідника);
- середня швидкість потоку рідини.
Швидкість можна визначити через об’ємну витрату
,
(5.17)
де
- внутрішня площа поперечного перерізу
трубопроводу (
).
Підставивши в (5.16) значення з (5.17), отримаємо
.
(5.18)
Оскільки
і
,
то вираз (5.18)
можна переписати у вигляді
,
(5.19)
де
- коефіцієнт пропорційності (
).
З (5.19) видно, що при однорідному магнітному полі, ЕРС прямопропорційна об’ємній витраті .
На
теперішній час, електромагнітні
витратоміри застосовують тільки для
рідин з електричною провідністю не
нижче ніж
.
Основним недоліком електромагнітних витратомірів з постійним магнітним полем є виникнення на електродах ЕРС поляризації, що призводить до значних похибок вимірювань.
Паразитна ЕРС поляризації може бути суттєво зменшена за рахунок застосування електромагнітів, що живляться від джерела змінного струму.
Електромагнітним витратомірам притаманні такі переваги: на покази не впливають зважені в рідині частинки і бульбашки газу, а також тиск, температура, в’язкість і густина. Дані витратоміри є практично безінерційними і можуть бути застосовані при вимірюванні швидкозмінних потоків.
Електромагнітні
витратоміри дозволяють вимірювати
витрату в межах від 1 до 2500
для трубопроводів діаметром 10-1000 мм
при лінійній швидкості потоку
.
Класи точності витратомірів 1,0 – 2,5.
- Калориметричні витратоміри
Принцип дії калориметричних витратомірів грунтується на нагріванні потоку рідини чи газу і вимірюванні різниці температур до і після нагрівача.
Схема калориметричного витратоміра наведена на рис.5.8.
Рис. 5.8. Схема калориметричного витратоміра
В трубопроводі (рис.5.8) встановлено нагрівач 3, на рівних відстанях від центра якого знаходяться терморезистивні термометри 1 і 2, які вимірюють температуру потоку до нагрівача і температуру після нього.
Якщо знехтувати теплотою, що віддається потоком в навколишнє середовище, то рівняння теплового балансу в цьому випадку запишеться
,
(5.20)
де
- кількість теплоти, що віддається
нагрівачем рідині чи газу;
- поправочний коефіцієнт на нерівномірність
розподілу температур по площі поперечного
перерізу труби;
- масова витрата рідинни чи газу;
- питома масова теплоємність при
середньому значенні температури
;
- різниця температур середовища до і
після нагрівача
.
В калориметричних витратомірах теплота до потоку рідини підводиться звичайно електронагрівачем. В цьому випадку
,
(5.21)
де та - відповідно величина струму та опір електронагрівача.
Із (5.20) і (5.21) масова витрата визначиться як
.
(5.22)
Отже із (5.22) видно, що витрата визначається шляхом непрямого вимірювання на основі результатів прямих вимірювань струму , що протікає по обмотці нагрівача і перепаду температур .
- Ультразвукові витратоміри
Ультразвуковий (частота більше 20 кГц) метод вимірювання витрат грунтується на явищі зміщення звукових коливань рухомим рідким середовищем.
З двох сторін трубопроводу, по якому рухється вода, під кутом встановлено п’єзоелектричні давачі даного витратоміра (рис.5.9), які можуть перетворювати електричні імпульси в акустичні і навпаки.
Вимірювання швидкості потоку води відбувається наступним чином.
Електричний
імпульс з формувача
надходить до давача
,
який перетворює його в акустичний сигнал
(механічні коливання ультразвукової
частоти). Даний сигнал проходить через
воду і сприймається давачем
через час
,
який визначиться як
,
(5.23)
де
- відстань між давачами
і
;
- швидкість поширення ультразвукових
коливань у воді;
;
- швидкість потоку води.
Рис. 5.9. Структурна схема акустичного витратоміра
Прийнятий
акустичний сигнал перетворюється
в електричний, підсилюється у
вимірювально-керуючому блоці ВКБ і
знову через
надходить до давача
.
В результаті цього виникає автоциркуляція
імпульсів по контуру, з частотою
.
(5.24)
Аналогічно
відбувається автоциркуляція імпульсів
і по контуру, показаному пунктирними
стрілками. При цьому давач
випромінює, а давач
сприймає акустичні імпульси. Частота
циркуляції імпульсів в цьому контурі
буде
.
(5.25)
Вимірювально-керуючий
блок (ВКБ) керує роботою контурів і
виділяє збільшену в 100 разів різницеву
частоту
.
(5.26)
При
підстановці в (5.26)
і
,
отримаємо
.
(5.27)
При
,
.
(5.28)
Оскільки
,
то підставивши значення швидкості в
(5.28), отримаємо
.
(5.29)
Імпульси
частотою
надходять до частотно-аналогового
перетворювача ЧАП з уніфікованим
струмовим сигналом
і на електронний лічильник імпульсів
ЛІ, який фіксує кількість води, що
проходить через витратомір.
Похибка
ультразвукових витратомірів складає
близько
.
Запитання для самоконтролю
1. Принцип дії електромагнітного витратоміра з постійним магнітним полем.
2. Переваги і недоліки електромагнітних витратомірів.
3. Принцип дії калориметричних витратомірів.
4. Ультразвуковий метод вимірювання витрат.
5. Принципова схема акустичного витратоміра.