8.3.5. Вихревые расходомеры

Принцип действия вихревого расходомера (ВР) основан на зависимости частоты срыва вихрей с поверхности трапецеидальной призмы, помещенной в трубопроводе, от объемного расхода. Сенсором является преобразователь вихревых колебаний движущейся среды, который представляет собой тонкую гибкую пластину, помещенную в канале обратной связи тела обтекания (рис. 8.18). На гибкий электрод, находящийся в поле постоянного магнита и неподвижного электрода, подается ток переменной частоты, который модулируется частотой срывов вихрей. Значение этой частоты с последующим вычислением скорости потока определяется в ВИП.

Структурная схема вихревого расходомера с двумя неподвижными электродами изображена на рис. 8.18. По обе стороны от заземленной гибкой пластины-электрода расположены стержни, один из которых является электродом, а другой – электродом и ограничителем колебаний пластины. При изменении расстояния между колеблющимся гибким электродом и стержневыми электродами одновременно меняется межэлектродная проводимость (если среда проводящая). Ее величина преобразуется в электрический сигнал. Такой способ измерения сопротивления проводников называют кондуктометрией, поэтому вихревой расходомер, работающий в данном режиме, является кондуктометрическим.

Замыкания при взаимном касании электродов можно преобразовать в выходной импульсный сигнал. В этом случае ВР становится контактно– кондуктометрическим и имеет два рабочих режима, которые отличаются параметрами движения и методом съема выходного сигнала:

• режим А имеет место при малых амплитудах колебаний гибкого электрода, когда он не касается стержневого электрода или касается последнего только при больших расходах измеряемой среды;

• режим Б возникает при больших амплитудах колебаний гибкого электрода, когда он касается стержневого электрода при каждом колебании во всем диапазоне измеряемых расходов. Для работы в данном режиме жесткость гибкого электрода должна быть существенно ниже, чем в первом случае.

Р и с. 8.18. Схема контактно-кондуктометрического вихревого расходомера

Вихревой расходомер, работающий в режиме А, отличается высокой чувствительностью, поскольку даже при небольших амплитудах колебаний гибкого электрода на выходе устройства формируется полезный сигнал. Это позволяет использовать такой преобразователь в приборах, рассчитанных на измерение относительно малых расходов, при низких скоростях потока (0,04-0,05 м/сек) при теле обтекания 25,56 мм (1 дюйм).

8.3.6. Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные (индукционные) расходомеры применяют для измерения объемного расхода электропроводных жидкостей. Принципиальная схема электромагнитного расходомера с переменным магнитным полем показана на рис. 8.19. Принцип действия такого расходомера основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому наведённая в проводнике ЭДС пропорциональна скорости движения его в магнитном поле. При прохождении сетевой или водопроводной воды (любой другой жидкости, обладающей достаточной электропроводностью) через магнитное поле в ней, как в движущемся проводнике, наводится электродвижущая сила, пропорциональная средней скорости движения жидкости. Прибор состоит из первичного электромагнитного преобразователя расхода и электронного измерительного усилителя. Корпус преобразователя представляет собой отрезок трубы из немагнитного материала. Выходной сигнал снимается двумя электродами, расположенными диаметрально противоположно и проходящими через стенку трубы. Важным условием нормальной работы такого расходомера является однородность магнитного поля в осевом и поперечных направлениях. При неоднородности магнитного поля в жидкости появляются местные циркуляционные токи, искажающие результаты измерения.

К достоинствам индуктивных и трансформаторных датчиков относятся большая выходная мощность, высокие надежность, чувствительность и разрешающая способность, простота конструкции, малые масса и размеры. Недостатками таких расходомеров являются трудность регулировки и компенсации начального напряжения на выходе преобразователя; необходимость экранирования для уменьшения уровня помех, что увеличивает размеры и массу; возможность работы только на переменном токе; ограниченность диапазона линейной статической характеристики.

Р и с. 8.19. Принцип работы преобразователя расхода электромагнитного типа

Электромагнитные преобразователи расходомеров в зависимости от принципа действия могут быть параметрическими или генераторными. К параметрическим относятся устройства, преобразующие изменение входного механического воздействия в изменение параметров магнитной цепи – магнитной проницаемости μ, магнитного сопротивления R_M и индуктивности обмоток L. В генераторных преобразователях индукционного типа для получения выходного сигнала используется закон электромагнитной индукции. Генераторные преобразователи могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин.

Для устройства, изображенного на рис. 8.20, а, выполняется соотношение, связывающее индуктивность обмотки L и взаимоиндуктивности M обмоток w₁ и w₂ :

(8.36)

где R_M = l/μ_aS – сопротивление ферромагнитного участка магнитной цепи; R_δ=δ/μ₀S – сопротивление воздушного зазора δ; l – длина ферромагнитного участка магнитной цепи; S – площадь сечения сердечника и зазора; μ_α , μ₀ – магнитная проницаемость ферромагнитного участка магнитной цепи и воздуха в зазоре соответственно.

а б в

Р и с. 8.20. Типы конструкций электромагнитных ИП

Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор δ, изменяя положение якоря 1, изменяя сечение магнитного потока, поворачивая якорь 1 относительно неподвижной части магнитной цепи 2, вводя в воздушный зазор пластину 3 из ферромагнитного материала (соответственно уменьшая δ и магнитное сопротивление зазора) или из электропроводящего неферромагнитного материала. В последнем случае изменение L и М обусловлено размагничивающим действием токов, индуктированных в пластине основным магнитным потоком, проходящим по магнитной цепи.

Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности L, называются индуктивными.

Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности M, принято называть трансформаторными. В трансформаторных преобразователях изменение М можно получить изменением магнитного сопротивления, а также перемещением одной из обмоток вдоль или поперек магнитной цепи.

Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжимающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость _о сердечника, что приведет к изменению его магнитного сопротивления и соответственно к изменению L или М (рис. 8.20, б). Такие преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов и др.

Если в зазоре постоянного магнита или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку (рис. 8.20, в), то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС

, (8.37)

где dФ/dt – скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки w₂.