Электромагнитные измерители потока.

Электромагнитные измерители потока используются для измерения скорости потока, усредненной по его поперечному сечению, и пригодны почти для всех проводящих жидкостей. Их работа основана на том хорошо известном факте, что в любом проводнике, движущемся перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, индуцируется напряжение, величина которого прямо пропорциональна скорости проводника (в нашем случае - скорости жидкости).

Принцип работы. Магнитное поле В приложенное перпендикулярно направлению потока жидкости. Индуцируемое электрическое поле, определяющее ЭДС электромагнитной индукции, перпендикулярно как направлению тока, так и направлению магнитного поля. Величина ЭДС определяется законом Фарадея

,                       (1.7)

где v_у - индуцируемая ЭДС между точками a и b(); B- магнитная индукция (Тл); a, b - точки, в которых и находятся электроды; L - расстояние между точками а и b (м); u - скорость жидкости (м/с).

Предполагая, что пространственные распределения поля В и скорости u однородны и что векторы В, u и L ортогональны, получаем следующее простое выражение для ЭДС

v_e=BLu.                             (1.8)

Индуцируемая ЭДС v_e измеряется с помощью двух электродов, контактирующих с жидкостью. Тип используемых электродов зависит от типа жидкости. Для многих жидкостей, включая жидкие металлы, используются электроды, изготавливаемые из сравнительно химически неактивных металлов, например платины.

Источники погрешностей. Тщательно сконструированные электромагнитные измерители потока при правильной эксплуатации могут иметь погрешности, не превышающие 1%, но тем не менее реально существует большое число возможных источников погрешностей. Например, в биологических исследованиях погрешность измерения потока крови может легко превышать 10%.

Соотношения (1.7) и (1.8) справедливы только для аксиально-симметричного потока; именно этот случай часто встречается на практике. Для потока с известным асимметричным профилем в показания измерителя потока необходимо вводить поправочный коэффициент.

Между электродами, находящимися в жидкости, может возникнуть разность потенциалов (как в обычном гальваническом элементе), проявляющаяся в наличии напряжения смещения нуля для измеряемой ЭДС. Эта проблема не возникает при использовании переменного магнитного поля. Электроды могут подвергнуться воздействию коррозии, на них постепенно могут осаждаться инородные материалы, что влияет их сопротивление и, возможно, на измеряемую ЭДС.

Неоднородность магнитного поля вдоль или перпендикулярно оси потока может приводить к существенным погрешностям из-за образования локальных токов, циркулирующих в жидкости.

Два метода измерения: в постоянном и переменном магнитных полях.

Сравнение методов. Соотношение (1.8) справедливо как для постоянных, так и для переменных магнитных полей; форма сигнала индуцируемой ЭДС v_e повторяет форму сигнала возбуждения магнитного поля В. В тех случаях, когда поляризация электродов и напряжения смещения играют незначительную роль, предпочтительнее всего использовать постоянное магнитное поле для минимизации проблем, связанных с поляризацией электродов, приходится использовать переменное магнитное поле.

Контурная ЭДС. Проводники, используемые для снятия сигнала с электродов, вместе с проводящей жидкостью образуют замкнутый контур, находящийся в магнитном поле. Поскольку на практике не удается точно выполнить условие перпендикулярности вектора магнитного поля и нормали к плоскости этого контура, в последнем индуцируется контурная ЭДС v_t. Величина этой ЭДС может в несколько раз превышать полезный сигнал от электродов.

Контурная ЭДС пропорциональна производной от индукции магнитного поля и поэтому сдвинута на 90 по фазе относительно полезного сигнала, снимаемого с электродов. Реально измеряемое напряжения равно сумме двух сигналов

v_s=v_e+v_t=V_esin(t)+V_tcos(t),           (1.9)

где v_e - полезный сигнал с амплитудой V_e и v_t - контурная ЭДС с амплитудой V_t.

Один из способов разделения этих двух сигналов: значения v_s отсчитываются в те моменты, когда v_e максимально, а v_t проходит через нуль. Однако такой способ трудно реализовать на практике, поскольку любая погрешность фазы приводит к значительному вкладу v_t в измеряемый сигнал.

Лучшим методом является метод фазочувствительной демодуляции сигнала. Суть этого метода заключается в том, что мы умножаем v_s на ток электромагнита i_m, который всегда находится в фазе как с магнитным полем, так и с полезным сигналом v_e. В результате имеем

v_p=v_si_m=(V_esin(t)+V_tcos(t))I_msin(t)= I_mV_esin²(t)+

I_mV_tcos(t)sin(t).                      (1.10)

Интегрируя затем этот сигнал-произведение по одному периоду колебания (что эквивалентно низкочастотной фильтрации v_p), получаем напряжение v_f, пропорциональное потоку, в то время как контурная ЭДС в конечном результате исчезает:

 .                 (1.11)

В некоторых конструкциях фазочувствительный демодулятор используется также для выделения контурной ЭДС и добавления ее как сигнала отрицательной обратной связи к исходному сигналу v_s. Это позволяет исключить контурную ЭДС еще до прихода сигнала к фазочувствительному демодулятору для выделения сигнала v_f. Существуют конструкции, в которых магнитное поле возбуждается не гармоническим, а прямоугольным или трапецеидальным сигналом. Поскольку в этом случае контурная ЭДС равна нулю большую часть периода (за исключением моментов перехода тока i_m через нуль), то можно использовать описанный выше способ отсчётов полного сигнала v_s.