Электромагнитные расходометры Yokogawa

2 июля 2013 г.

О. ЁШИКАВА, Н. ШИКУЙЯ, Т. ТАНАКА, С. ТАНАБЕ, Т. АРАИ, Х. ОХТА, А. РЕШЕТОВА, А. ИЛЬЕВСКИЙ

В статье описаны фундаментальные принципы работы и усовершенствованные функции электромагнитных расходомеров серии ADMAG AXF, в том числе улучшение линейных характеристик при измерении расхода и уменьшение разброса характеристик различных расходомеров за счёт моделирования магнитной цепи, функции диагностики загрязнения электродов и полный матричный  ЖК-дисплей, показывающий, какие действия необходимо предпринять при возникновении неисправности.

ВВЕДЕНИЕ

Ещё в 1988 году компания Yokogawa начала производство электромагнитных расходомеров серии ADMAG, которые обладали повышенной стойкостью к шуму взвеси и высокой стабильностью нуля, что обеспечивалось уникальным методом двухчастотного возбуждения - результатом непрерывного усовершенствования технологий измерения расхода

В настоящее время к расходомерам предъявляются повышенные требования к надежности, точности и простоте обслуживания ввиду различного рода технологических усовершенствований в системах производства, развития многономенклатурного малосерийного производства и других факторов.

По вышеуказанным причинам Yokogawa представляет новейшую серию ADMAG AXF, обладающую улучшенной производительностью, функциональностью и удобством для пользователя.

В данной статье представлены основные функциональные возможности и принципы работы электромагнитных расходомеров серии AXF (рис.1).

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Рисунок 1 Электромагнитные расходомеры серии ADMAG AXF

Рисунок 2 Принцип измерения

Улучшенная производительность и характеристики

  1. Усовершенствованное двухчастотное возбуждение
    Повышенная стойкость к шуму, генерируемого взвесями и минимальная измеряемая проводимость 1 мкСм/см.
  2. Высокочастотный импульсный выход
    Частота 10 кГц

Удобство для пользователя

  1. Полный матричный ЖК-дисплей с подсветкой
  2. Возможность ввода установок с наружной части корпуса с помощью инфракрасных детекторов
  3. Более простое обслуживание с функцией оценки загрязнения электродов и возможностью замены электродов

Широкий ряд моделей

  1. Вариант исполнения с монтажом на сверхмалом фланце
  2. Варианты санитарного исполнения с увеличенным размером и различными типами подключения

Принцип работы электромагнитных расходомеров

Принцип измерения электромагнитных расходомеров заключается в следующем:

(Рисунок 2): Когда проводящая жидкость протекает со скоростью v через трубку диаметром D, внутри которой, с помощью катушки возбуждения, создаётся напряженность магнитного потока B, возникает электродвижущая сила E, пропорциональная скорости v:

Рисунок 3 Спектр частот шума

Рисунок 4 Результаты тестирования с использованием реальной взвеси

РАЗРАБОТКА МАГНИТНОЙ ЦЕПИ ДЛЯ 160-ГЦ ВОЗБУЖДЕНИЯ     

Двухчастотное возбуждение – это уникальный метод, разработанный Yokogawa, который позволяет увеличить стойкость к шумам и быстродействие за счет высокочастотной составляющей, а также повысить устойчивость нуля за счёт наложения высокочастотных и низкочастотных сигналов возбуждения. Взвеси и жидкости с высокой электропроводностью обладают так называемой 1/f – характеристикой, когда для низких частот имеет место высокий уровень шумов и наоборот, как показано на рисунке 3. Таким образом, очевидно, что высокочастотное возбуждение производит сигналы с низким уровнем шума b и высоким значением отношения сигнал/шум. Используя преимущества данной шумовой характеристики, в электромагнитных расходомерах серии ADMAG AXF была значительно увеличена стойкость к шуму взвеси за счёт почти двукратного увеличения частоты для высокочастотного двухчастотного возбуждения, по сравнению с предыдущими сериями (см. рисунок 4). Данный метод позволяет выполнять измерения для жидкостей с проводимостью 1 мкСм/см.

Обычно в электромагнитных расходомерах трубка возбуждения находится внутри сердечника, повергающегося воздействию вихревых токов. В серии ADMAG AXF сердечник отсутствует, что позволяет значительно - вдвое и более -  улучшить частотные характеристики магнитной цепи .

Рисунок 5 Цепь диагностики загрязнения электрода

ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Электромагнитные расходомеры используются в разнообразных применениях, в том числе с липкими примесями, что  может привести к  загрязнению электродов, и тем самым к неточным измерениям. Для решения данной проблемы электромагнитные расходомеры серии ADMAG AXF оснащены функцией, позволяющей выполнять оценку загрязнения электродов. На рисунке 5 показана принципиальная схема диагностики загрязнения электродов. Оценка уровня загрязнения выполняется посредством измерения сопротивления между электродом и кольцом заземления. Для этого с электрода на кольцо заземления посылается сверхмалый прямоугольный импульс тока для измерения сопротивления. Частота повторения импульсов синхронизируется с чётными множителями частот сигналов расхода. При обработке сигналов расхода частота повторения импульсов нейтрализуется и не влияет на значения, используемые для вычисления расхода. И наоборот, когда выполняется обработка сигналов диагностики загрязнения, нейтрализуются сигналы расхода, что не влияет на результаты диагностики. Такая процедура обработки сигналов позволяет выполнять диагностику загрязнения электродов даже во время измерения расхода (см. рисунок 6).

Степень загрязнения оценивается по четырём уровням на основе предварительно заданных значений. На рисунке 7 представлен пример результатов оценки загрязнения, позволяющий наглядно видеть увеличение загрязнения. Уровню 3 соответствует предупреждение, и возможен вывод соответствующего дискретного сигнала.

Выражение для сигнала расхода: A-B=(+a-b)-(-a-b)=a-b+a+b=2a

Выражение для сигнала диагностики загрязнения: C-D = (+a/2+b)-(+a/2-b)=a/2+b-a/2+b=2b

Рисунок 6 Принцип работы цепи диагностики загрязнения электродов

Рисунок 7 Пример отображения уровня загрязнения

Несмотря на то, что критерии для уровней оценки загрязнения задаются производителем, они могут быть изменены пользователем в зависимости от конкретного применения.

ВОЗМОЖНОСТЬ ЗАМЕНЫ ЭЛЕКТРОДОВ

Обычно при загрязнении поверхности электродов измерительной трубки, их очистка требует удаления измерительной трубки из трубопровода. В электромагнитных расходомерах серии ADMAG AXF детали-(рисунок 8) уплотнительное кольцо, электрод, пружина, шайбы и наконечник электрода объединяются в единый блок  стопорным кольцом, что ускоряет процесс удаления электродного блока, не требуя его разбора. Это позволяет очищать поверхность электродов от загрязнения, не требуя удаления расходомера из трубопровода. Уплотнителем электрода является кольцо из фторсодержащего каучука, предотвращающее вытекание жидкости, даже когда электрод подвергается давлениям, в три раза превышающим максимально допустимые согласно техническим характеристикам в рабочем диапазоне температур (от –40°C до 160°C).

Рисунок 8 Съёмный электродный блок

ПОВЫШЕННАЯ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРУБОК

 Электромагнитные расходомеры ADMAG AXF обладают высокой точностью измерений расхода ±0,2%. Это было реализовано благодаря введению ряда новых технологических инноваций, которые описаны далее:

Рисунок 9 Моделирование электродвижущей силы

Анализ распределения магнитного поля

При разработке ADMAG AXF использовался численный анализ распределения магнитных полей. Применение данной методики позволяет свободно анализировать распределение магнитных полей при различных условиях. Данные о распределениях магнитных полей используются для получения линейного соотношения между измеренными электромагнитным расходомером, и расчетными скоростями потока.

На рисунке 9 приводится сравнение изменений линейных характеристик при измерении реального расхода и моделировании, в котором использовался анализ магнитных полей и расчёт электродвижущей силы, в зависимости от Q, угла раствора катушки возбуждения.

При использовании моделирования получена реальная линейная зависимость скорости потока для электромагнитных расходомеров (рисунок 9), где результаты реального измерения расхода, выделенные жирными линиями и темными точками, совпадают в пределах погрешности с результатами моделирования, показанными тонкими линиями и светлыми точками. Эта новая методика позволила значительно повысить точность измерений.

Выявление основных факторов, влияющих на определение линейных характеристик

На основе упомянутого выше моделирования, было обнаружено, что точность расположения катушки, сердечника и обратных цепей, так называемая магнитная цепь, недостаточна для достижения целевых показателей точности линейных характеристик, и погрешности 0,2%.

Рисунок 10 Пример зависимости результатов измерения реального расхода от угла раствора пластинчатого сердечника

Рисунок 11 Результаты измерения реального расхода с помощью трёх прототипов ADMAG AXF

На рисунке 10 показаны изменения линейных характеристик, вычисленные на основе реального измерения расхода при различных углах раствора пластинчатого сердечника. Из рисунка видно, что точность линейных характеристик можно контролировать с помощью размеров пластинчатого сердечника. Так как пластинчатый сердечник представляет собой стальную пластину, штампованную на прессе, производство пластин с точными размерами представляет собой достаточно простую задачу, что позволяет достигать высокой стабильности линейных характеристик.

На рисунке 11 показаны линейные характеристики трёх прототипов серии ADMAG AXF со скоростями реальных потоков. Из рисунка видно, что между показателями отдельных расходомеров AXF крайне мало отклонений.

В результате, использование различных аналитических методов и точного моделирования позволяет выпускать расходомеры с исключительной точностью, которой, как правило, невозможно достичь методом проб и ошибок с использованием опытных образцов.

ИНФРАКРАСНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

В дисплей электромагнитных расходомеров серии ADMAG AXF встроены бесконтактные инфракрасные переключатели. На рисунке 14 показан принцип работы данных переключателей. Распознавание  переключения происходит при отражении инфракрасных лучей, испускаемых ИК-светодиодом, от пальцев оператора, и попадании их в фотодетектор. Как показано на рисунке 14, ввод и изменение параметров может выполняться простым прикосновением к стеклу крышки корпуса, под которым расположен дисплей, то есть открытие крышки не требуется.

Из-за принципа работы переключение может выполняться при попадании лучей в фотодетектор, даже если пальцы оператора находятся на небольшом расстоянии от стекла. Это может составлять определённые неудобства для пользователя и приводить к вводу ошибочных установок ввиду несоответствия распознавания выполняемым операциям. Для компенсации недостатков данного принципа мы ограничили допустимые оптические пути, как показано на рисунке 14. Оба устройства имеют «маски» с отверстиями, и пути выделены соответствующим положением и размерами этих отверстий. Области распознавания определены линиями A и B, а также линиями C и D, и переключение будет выполняться только в том случае, если палец оператора находится в них, что позволяет улучшить удобство использования.

Рисунок 14 Принцип работы

ДИСПЛЕЙ И ЕГО ФУНКЦИИ

В последнее время ЖК-дисплеи постоянно совершенствуются. Следуя данной тенденции, пользователи КИПиА также требуют значительно более простых и многофункциональных методов ввода и отображения.

Электромагнитные расходомеры серии ADMAG AXF оснащены полноценным матричным ЖК-дисплеем с подсветкой. ЖК-дисплей имеет разрешение 132 х 32, что позволяет размещать до 22 столбцов и 4 строк.

Перед отгрузкой с завода дисплей конфигурируется для отображения строки мгновенного расхода крупным шрифтом. Дисплей позволяет выбирать произвольный вариант отображения – от одной до трёх строк. На рисунке 15 показан пример трёхстрочного дисплея. Первая строка может отображать символы большего размера, чем другие, что способствует лучшей читаемости. Среди отображаемых параметров мгновенный расход, мгновенный расход в процентах от максимального значения и суммарный расход. Также функции точечного дисплея матричного типа позволяют отображать гистограммы и использовать заглавные буквы.

При наличии неисправности может отображаться нормальный или аварийный режим. Электромагнитные расходомеры серии ADMAG AXF показывают сообщения о неисправности в верхней части дисплея, а меры по их устранению – в нижней. Пользователи могут просматривать перечень способов для устранения неисправностей, не обращаясь к документации. Неисправности AXF подразделяются на три категории: системные неисправности, неисправности процесса и неисправности установок. Для диагностики загрязнения электродов и других функций помимо категорий неисправностей существует категория, называемая «Предупреждения», в которой одновременно отображается нормальный расход и предупреждение. 

Рисунок 15 Трёхстрочный режим дисплея 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной статье были представлены новейшие технологии, использованные при разработке электромагнитных расходомеров серии ADMAG AXF. Мы уверены, что использование этих сложных технологий позволяет использовать в широком спектре их применений, а также упростить обслуживание расходомеров.

ССЫЛКИ

(1) Куромори Кен-ичи, Готоу Шигеру, Нишияма Киёши, Нишиджима Такаши, “Электромагнитные расходомеры с двухчастотным возбуждением серии ADMAG,” Технический отчёт Yokogawa, Часть. 32, №3, 1988, стр. 129-134 (на японском языке)

* ADMAG AXF – это торговая марка корпорации Yokogawa Electric. Другие имена и названия продуктов, упомянутые в данном документе, являются зарегистрированными торговыми марками или торговыми знаками своих владельцев.

Каталог

Склад готовой продукции