УДК 681.121.89.082.74
О МЕТРОЛОГИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ
И. Д. Вельт, Ю. В. Михайлова
Рассмотрены способы создания метрологического обеспечения электромагнитных расходомеров на основе имитационного моделирования приборов. Обсуждены возможности имитационного моделирования при исследовании электромагнитных расходомеров, его преимущества и недостатки. Приведены характеристики имитационной установки для градуировки и поверки электромагнитных расходомеров отечественного и зарубежного производства.
"Нет ничего более практичного, чем хорошая теория". Это известное изречение в полной мере отражает результаты теоретических исследований электромагнитного измерения расхода.
После обоснования М. Фарадеем возможности измерения скорости потока жидкости на основе открытого им "закона электромагнитной индукции" наиболее впечатляющими результатами теоретических исследований электромагнитного метода измерения расхода с нашей точки зрения являются работы Колина и Тюрлемана [1], которые впервые показали, что при однородном магнитном поле сигнал расходомера не зависит от формы осесимметричного профиля потока. Это означает, что сигнал расходомера определяется интегральным значением скорости по поперечному сечению канала и не зависит от изменения числа Рейнольдса, а, следовательно, от вязкости, плотности и температуры. Уже одно это свойство поставило рассматриваемый метод измерения вне конкуренции с другими методами измерения расхода.
Сложное описание формирования сигнала расходомера впервые было представлено Бевиром [2] через функцию Грина. Для характеристики указанной зависимости он предложил ввести понятие "объемной весовой функции", а уравнение для сигнала расходомера представить в виде:
1 = | £(% х Ж), (1)
%
где и — сигнал расходомера; % — рабочий объем канала; — элемент рабочего^объема канала; В — индукция магнитного поля; Ж — объемная весовая функция; V — скорость потока. Этот способ аналитического выражения сигнала расходомера оказался очень удобным для исследования, так как позволил рассматривать отдельно влияние на сигнал распределения магнитного поля, кинематической структуры потока и конструктивных элементов канала.
Полученная наглядность влияния различных факторов на сигнал расходомера существенно ускорила оптимизацию конструктивного воплощения приборов. С этого времени стали применять неоднородно распределенное магнитное поле в рабочей зоне канала расходомера, что позволило обеспечить более высокие эксплуатационные характеристики, а именно: значительно уменьшить габаритные размеры первичного преобразователя, потребляемую им электроэнергию и снизить чувствительность к перестройке распределения скорости в канале.
Приборы, основанные на электромагнитном методе измерения, позволяют измерять расходы в трубах от чрезвычайно малых диаметров до громадных — 2000...4000 мм.
В канале прибора отсутствуют какие-либо элементы конструкции, препятствующие потоку и искажающие его эпюру скорости. Показания электромагнитных расходомеров практически не зависят от изменения физических свойств измеряемой среды: плотности, вязкости, электропроводности, весьма мало зависят от распределения скорости потока в канале. Электромагнитные расходомеры способны с высокой точностью измерять различные многофазные потоки, включая потоки суспензий, угольных, песковых, магнетито-вых пульп, различного рода загрязненные стоки и т. п.
Последние разработки ГНЦ НИИтеплопри-бор (Москва) показали уникальную возможность не только измерять потоки со сложной кинематической структурой, но и отображать ее на дисплее прибора и определять количественно характеристику структуры потока [3, 4]. Необходимость в таких приборах возникает при измерении потоков в каналах с неполным заполнением измеряемой средой, при гидротранспорте сыпучих продуктов, при применении приборов в исследовательских целях. Электромагнитные расходомеры позволяют измерять пульсирующие и быстропеременные потоки. Однако, наиболее широкое применение
8
Зепэогэ & Sysíems • № 4.2005
электромагнитные расходомеры получили в качестве коммерческих бытовых и промышленных во-до- и теплосчетчиков.
Чтобы электромагнитные расходомеры всегда отвечали современным требованиям и выдерживали конкуренцию рынка, их необходимо постоянно совершенствовать: повышать метрологические характеристики, надежность, помехозащищенность, снижать энергопотребление, габаритные размеры, цену, обеспечивать взаимозаменяемость, расширять функциональные возможности расходомеров. Возможности совершенствования приборов как ранее, так и сейчас весьма большие. Это использование новой элементной базы, материалов и технологий, разработка новых конструктивных и схемных решений, совершенствование алгоритмов и программ обработки сигналов, применение для расчета элементов прибора современных программных средств и т. п.
Чтобы сформулировать, а тем более, решить какую-либо из задач по совершенствованию прибора, необходимо иметь соответствующие средства для оценки достигнутого уровня и уровня, который желательно достичь в результате доработки прибора.
Одной из основных причин, сдерживающих развитие электромагнитных расходомеров, является несовершенство средств и методов метрологического обеспечения.
До настоящего времени традиционными средствами метрологического обеспечения электромагнитных расходомеров являются стационарные проливные расходомерные установки. В них в качестве эталонных средств используются объемные, весовые мерники или образцовые расходомеры.
Достоинством проливных расходомерных установок является возможность исследования на них расходомеров практически любых конструкций. Однако стационарные проливные установки обладают и существенными недостатками. Они дороги в изготовлении и эксплуатации, металлоемки, для их размещения требуется специальное помещение. Какая-либо их модернизация в направлении расширения диапазона измерения, перевода на другие рабочие среды и т. п. весьма трудоемка и дорогостояща. По этим причинам число стационарных установок явно недостаточно для метрологического обслуживания всего парка эксплуатируемых средств измерения расхода.
Указанные недостатки стационарных проливных установок являются основным сдерживающим фактором развития электромагнитных расходомеров даже относительно небольших диаметров, используемых в коммерческих водо- и теплосчетчиках, удорожающие стоимость градуировки и поверки этих приборов.
Хотя проливные расходомерные установки и совершенствуются, их развитие ведется исключи-
тельно в направлении повышения точности, автоматизации измерений, программной обработки результатов измерений и упрощения монтажа испытуемых приборов. Из-за чрезвычайной сложности и высокой стоимости практически не разрабатываются проливные установки для измерения многофазных потоков: песковых, угольных пульп, рудных хвостов, суспензий и для измерения воды в трубах с Бу более 400—600 мм. Очевидно, что проливная расходомерная установка, например, для расходомеров с диаметром канала 1000 мм, только для создания потока воды за время поверки будет потреблять электроэнергию, стоимость которой составит существенную долю стоимости изготовления прибора.
Проблематично также создание установок для безнапорных потоков сточных жидкостей (с изменяющимся уровнем заполнения канала в трубопроводе), установок, позволяющих изменять плотность измеряемой среды с целью исследования влияния числа Рейнольдса и исследовать приборы (насыщенных микропроцессорной техникой) в режимах, приближенных к сложным промышленным условиям по уровню и составу помех и т. п. Не ведется создание установок, которые позволяют изменять структуру распределения скорости потока в канале с целью определения зависимости влияния этого фактора на показания прибора и определения минимально допустимой длины прямого участка трубопровода до и после электромагнитного расходомера. Заметим, что именно эти установки необходимы для развития электромагнитных расходомеров.
Если рассматривать узкую задачу производства только коммерческих водо- и теплосчетчиков, уже для этих приборов остро необходимы современные средства метрологического обеспечения, обладающие следующими основными характеристиками.
• Мобильность и портативность, позволяющие применять поверочные установки непосредственно на любых объектах эксплуатации приборов, в том числе на объектах, где эксплуатируются единичные образцы расходомеров и счетчиков. Это свойство позволяет существенно сокращать стоимость и время поверки.
• Возможность создавать условия поверки, максимально приближенные к промышленным условиям эксплуатации расходомеров и счетчиков. Только в этих случаях метрологические характеристики, определенные при поверке, становятся практически полностью адекватными условиям эксплуатации приборов.
• Высокая точность, т. е. точность, по крайней мере, в два—три раза выше точности подавляющего большинства эксплуатируемых приборов. Только в этом случае средства метрологического обеспечения могут быть приме-
нимы к основной массе средств измерения расхода и количества.
• Средства поверки должны быть достаточно дешевыми и простыми в эксплуатации. Только тогда эти средства метрологического обеспечения могут быть востребованы и широко применимы в промышленности. Очевидно, что такие средства метрологического обеспечения не могут быть созданы на основе проливных установок. При беспроливном методе поверки расходомера, который получил также наименование косвенного метода или метода имитационного моделирования прибора, основной проблемой является измерение магнитного поля.
Из анализа выражения (1) следует, что магнитное поле недостаточно измерить в небольшой локальной области (например, в центре канала), необходимо иметь полную информацию о величине и топографии магнитного поля во всей рабочей зоне канала. Кроме того, необходимо учитывать распределение весовой функции Ж в канале и распределение скорости потока. Иначе нельзя осуществить беспроливным способом с необходимой точностью метрологическую аттестацию расходомера.
Измерение распределения неоднородного магнитного поля в канале
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.