Кузьменко П.К.,
Коробко И.В.,
Научно-исследовательский центр
«Приборы и системы энергосбережения»
Национальный технический университет
Украины «КПИ»

До настоящего времени в большинстве случаев используются морально-устаревшие и несовершенные приборы учета расходов. В то же время недостаточно внимания уделяется разработке новых, технологически и конструктивно более совершенных измерительных приборов.

Так, основными задачами метрологического обеспечения в сфере эксплуатации средств учета расхода и приборов регулирования потребления воды и тепловой энергии при их использовании и применении в системах контроля, учета и расхода жидкостей являются [2]:

• создание технически и экономически обоснованных требований к нормам точности и методикам выполнения измерений средствами учета и приборами регулирования потребления воды и тепловой энергии;
• разработка стандартов, которые регламентируют распределение и учет воды;
• разработка и внедрение современного измерительного оборудования и систем.

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 (рис. 2):

В алгебраической форме уравнение (1) приобретет вид:

где D — диаметр трубопровода — расстояние между электродами.
Скорость измеряемой среды определяется зависимостью:

где Q — расход измеряемой среды.
Из выражения (2) и (3) получим зависимость между измерительным сигналом Е и расходом Q:

где ke— коэффициент пропорциональности, который определяют в процессе калибрования [3].
Из выражения (4) видно, что погрешность электромагнитного преобра зователя 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. 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 [4].

Для предотвращения поляризации электродов применяют переменные магнитные поля. Индукция такого поля определяется формулой:

Учитывая выражение (5), зависимость (4) приобретет вид:

В ЭМРС с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует, однако проявляются другие недостатки при измерении [5]:

• 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;
• эффект изменения частоты колебаний тока системы возбуждения возбуждения магнитного поля.

Для компенсации этих побочных эффектов и выделения полезного сигнала совершенствуют измерительные схемы. Если первые электромагнитные расходомеры использовали переменное магнитное поле сетевой (50/60 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 [6].

Принцип измерения также определяет и недостатки данного метода [7]:

• 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.

Особенности применения электромагнитного метода измерения расхода
Обычно ЭМРС состоят из:

• измерительного участка, выполненного из диамагнитного материала с внутренним изоляционным покрытием и футеровкой [8];
• 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. [6].

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:
1) несимметричность распространения эпюры скорости измеряемой среды в канале преобразователя;
2) искажение весовой функции, которое вызывает фазовая неоднородность (осадок) среды;
3) 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 [6].

Погрешности измерения ЭМРС в основном находятся в пределах ± 0,5 % от измеряемой величины. ЭМРС давно стали основой поверочных установок [9], обеспечивая в сравнительно узком диапазоне расхода и эталонных условий предельную точность в пределах относительной погрешности ± 0,15 %. Этот показатель и определяет границу погрешности современных ЭМРС. Важным преимуществом ЭМРС является определение расхода на основе результатов измерения средней скорости потока в поперечном cечении трубопровода, которая не зависит от изменений плотности и вязкости жидкости под влиянием температуры.

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 [10].

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 имеютлинейную градуированную характеристику и погрешность измерения расхода не больше 1,0 %.

ЭМРС непригодны для измерения расхода газов, а также жидкостей с малой электропроводностью, например легких нефтепродуктов, спиртов и т.п. 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 [11].

Следующим шагом исследований и разработок станет гибридное питание ЭМРС с резервным питанием от встроенных аккумуляторов, и, наконец полностью автономное [6].

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 [10].

Выводы
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:
1) измерение в трубопроводах большого диаметра;
2) измерение сред с низкой проводимостью;
3) 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. 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.

Литература
1. Петросов В.А. Управление региональными системами водоснабжения. — Харьков: Основа, 1999. — 320 с.
2. О внедрении средств учета расходования и приборов регулирования потребления воды и тепловой энергии в быту / Постановление Кабинета министров Украины № 483 от 03.07.95 г.
3. Балтушнинкас Д., Вирбалис Ю.А., Падегимас Р., Шимелюнас Р. Обеспечение стабильности метрологических свойств электромагнитных расходомеров в процессе работы. Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей: Труды 3-го Международного научно-практического форума 2-4 декабря 2003 г./ Под ред. А.Г. Лупея. — СПб: Борей-Арт, 2003. — 476 с.: ил.
4. Туяхов А.И. Практическая метрология и измерения: Учеб. пособие. — Севастополь: Вебер, 2003. — 306 с.
5. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. — Л.: Машиностроение, 1989. — 701 с.
6. Коптев В.С., Прохоров А.В., Сычев Г.И. Обзор состояния и перспективы развития электромагнитных расходомеров и теплосчетчиков. Сайт www.teplovіzor.ru
7. ЗАО «Промсервис». Особенности (достоинства и недостатки) датчиков расхода жидкости различных типов. Совершенствование измерений расхода, регулирование и коммерческий учет энергоносителей: Труды 3- го Международного научнопрактического форума 2-4 декабря 2003 г. / Под ред. А.Г. Лупея. — СПб: Борей-Арт, 2003. — 476 с.: ил.
8. Герасимчук В.А. CMІ (Common-ModeІmmune) расходомеры // Измерительная техника. — 1990. — № 10.
9. Вельт И.Д., Гудковая И.Н. Современное состояние и перспективы развития электромагнитных расходомеров. — Г.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1978. — 52 с.
10. Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметров: Автореф. дис. на получение научной степени к. т. н. — Харьков: ХДПІ, 2000 — 20 с.
11. Корсунский Л.М. Электромагнитные гидрометрические приборы. — Г.: Стандартгиз, 1964. — 180 с.