ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР

Полезная модель относится к приборостроению, в частности к области измерения расхода электромагнитным методом, и может быть использована для высокоточной дозации малых и больших объемов электропроводных жидкостей, в том числе высокой вязкости и электропроводностью начиная от 1 мкС/см.
Известен электромагнитный расходомер [1], содержащий трубу, выполненную из немагнитного и неэлектропроводного материала, магнитопровод, две индукционные катушки, расположенные на внешней поверхности трубы диаметрально противоположно друг другу, два электрода, введенные в канал напротив друг друга по диаметру трубы, причем ось электродов, ось катушек и ось канала все взаимно перпендикулярны друг другу и пересекаются в точке центра сечения канала. Такое техническое решение является типовым для первичного преобразователя общепромышленного электромагнитного расходомера и широко используется в приборостроении.
Расходомер работает следующим образом. Вследствие протекания тока по виткам индукционных катушек в рабочем объеме канала возбуждается 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. Расходомер содержит электронную схему, с помощью которого измеряются напряжение между электродами и ток питания индукционных катушек. Мгновенный объемный расход будет пропорционален напряжению.
Недостатком рассмотренной конструкции, а также других аналогичных, является низкая пригодность для работы в системах дозирования жидкостей. Несмотря на то, что точность подобных расходомеров может составлять до ±0.2% у лучших образов в устоявшемся режиме, такой датчик имеет высокую погрешность в переменных условиях, в моменты начала и окончания дозации. Основные причины этого две:
измеренное значение дозы не зависит от степени реального заполнения измерительного канала дозатора (это следствие самого принципа измерения дозы через скорость потока). Таким образом, во время заполнения и опустошения канала дозатора датчик выдает неверные значения;
силовые линии магнитного поля генерируемого соленоидом (ровно, как и двумя постоянными магнитами в некоторых моделях) не являются однородными, при этом магнитное поле не сосредоточено исключительно в области измерения, напряженность поля плавно затухает по мере отдаления от соленоида. Это приводит к погрешностям при дозировании жидкостей с высокой вязкостью из-за градиента скоростей потока в канале дозатора и вносит дополнительную погрешность до 50% при переходных процессах (начале и окончание дозации), что особенно сказывается при дозации малых объемов.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается повышение точности измерения в условиях дозирования продуктов в промышленных системах розлива жидкостей в потребительскую тару объемом, начиная от 5 мл, существенное повышение точности измерения и дозации жидкостей с высокой вязкостью, а также появление возможностей измерения и дозации для жидкостей электропроводностью от 1 мкС/см.
Данная задача достигается за счет того, что электромагнитный расходомер включает трубу для протекания измеряемой жидкости, выполненную из немагнитного и неэлектропроводного материала, два электрода, введенные в канал напротив друг друга по диаметру трубы, магнитный индуктор из типовых редкоземельных постоянных магнитов цилиндрической формы, раскроенных путем распила по двум хордам и склеенных между собой таким образом, чтобы образовывать цилиндрическую структуру магнитной системы Хальбаха, расточенный изнутри для размещения вокруг трубы и микропроцессорную схему измерения возникающего тока для расчета объемного расхода протекающей жидкости. При этом для сборки индуктора оптимально использовать 8 типовых редкоземельных магнитов цилиндрической формы, раскроенных путем распила по двум хордам под углом 45°. Оптимальное соотношение внутреннего диаметра индуктора к внешнему диаметру Di/Da ≈ 0,43.
Ключевыми особенностями предложенной полезной модели является три момента:
1) магнитное поле локализовано в области измерения и практически не присутствует за пределами индуктора, что в 3-8 раз снижает уровень шумов по сравнению с традиционным электромагнитным расходомером, снижает уровень взаимного влияния расходомеров друг на друга, снижает погрешность измерения в переходных процессах (таких как начало и окончания дозации): жидкость, перемещающаяся вне области измерения, не продуцирует помехи. В традиционных электромагнитах расходомерах с этой проблемой борются с помощью настройки отсечки малых токов, те отсечки измерение малых расходов. Это хорошо работает в устоявшемся режиме, но вносит существенную погрешность в начале и окончании цикла дозации: протекание жидкости с малой скоростью игнорируется;
2) магнитное поле однородно: напряженность магнитного поле не меняется в пределах области измерения (участке трубы), силовые линии магнитного поля, продуцируемые разработанным индуктором параллельны во всей области измерения (фиг. 1);
Видна явная неоднородность поля в непосредственной близости от стенок цилиндра из-за дискретной смены направлений намагничивания в секторах, но уже на расстоянии в 1 мм (это расстояние как раз уходит на толщину стенок трубы) поле в зазоре становиться однородным. Напряженность магнитного поля в области протекания потока жидкости (45-65 мм) постоянная и высокая (0.68Тл) - фиг. 2.
При использовании соленоида либо пары постоянных магнитов напряженность магнитного поля существенно (до 35%) отличается в середине и по краям области измерения (трубы), силовые линии магнитного поля не прямые, а криволинейные. Это приводит к дополнительной существенной погрешности при дозации вязких жидкостей (от 1000*10-3 кг/м*с ~ 5%): так как скорость протекания жидкости не постоянна в середине и по краям трубы, а представляет собой поле скоростей, с увеличением значения скорости к середине трубы. Это непостоянство скоростей (на которое влияет, в том числе, температура и много других факторов), наложенное на неоднородность магнитного поля, приводит к нелинейной зависимости измеренного объема от скорости протекания вязкой жидкости. В устоявшемся режиме это решается калибровкой расходомера под текущие условия, но, опять же, наибольшая погрешность будет в начале и конце цикла либо при изменении скорости в процессе налива. Однородное магнитное поле разработанного индуктора устраняет погрешность измерения вязких жидкостей и сводит зависимость скорости потока к измеренному объемному расходу к практически линейной;
3) напряженность магнитного поля разработанного индуктора достигает до 0.70 Тл, что в 6-9 раз превосходит существующие решения на базе соленоида. Высокий уровень поля позволяет добиться двух преимуществ:
проведение измерения при сверхмалых расходах жидкости (обычно на этапе окончания дозации, особенно актуально для дозации высокопенящихся продуктов, а также малых дох (5-10 мл), любых продуктов, например лекарств);
проведение измерений для жидкостей электропроводности от 1 мкС/см, что расширяет список продуктов пригодных к дозации и, в частности открывает возможность дозировать антисепитические средства на основе спирта, что актуально в период пандемии.
Конструктивное исполнение индуктора разработано с целью использования стандартных цилиндрических магнитов, что существенно удешевляет и упрощает его производство. При традиционном подходе к изготовлению цилиндрических магнитных систем Хальбаха отдельные сектора кольцевого магнита формируются в сплошной кольцевой заготовке из постоянных магнитов за счет разнонаправленного намагничивания секторов по расточке цилиндра. Основная проблема при таком подходе заключается в большой сложности достижения равенства магнитных характеристик отдельных секторов после намагничивания, что сказывается на качестве однородности магнитного поля внутри индуктора. Предлагаемый в полезной модели расходомера магнитный индуктор состоит из типовых редкоземельных постоянных магнитов цилиндрической формы, раскроенных путем распила по двум хордам и склеенных между собой таким образом, чтобы образовывать цилиндрическую структуру магнитной системы Хальбаха, расточенный изнутри для размещения вокруг трубы, что устраняет проблему достижения равенства магнитных характеристик по окружности индуктора (фиг. 3).
Для расчета оптимального соотношения внутреннего и внешнего диаметров и количества используемых магнитов индуктора дозирующей системы была проведена серия расчетов магнитной энергии поля для индукторов с разными диаметрами расточки. По результатам расчетов был построен график зависимости магнитной энергии внутри воздушного зазора (Wδ) и магнитной энергии магнитов (Wм) от соотношения внутреннего и внешнего диаметров. По результатам расчетов оптимальной является система с отношением внутреннего диаметра цилиндра к внешнему диаметру Di/Da ≈ 0,43, состоящая из 8 сегментов, выполненных из цилиндрических магнитов (фиг. 4, 5).
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности измерения в условиях дозирования продуктов в промышленных системах розлива жидкостей в потребительскую тару объемом, начиная от 5 мл, существенное повышение точности измерения и дозации жидкостей с высокой вязкостью, а также появление возможностей измерения и дозации для жидкостей электропроводностью от 1 мкС/см.
Литература
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, изд. Машиностроение, Л, 1989.