Коптев В.С., Прохоров А.В., Сычев Г.И.

ОБЗОР СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ И ТЕПЛОСЧЕТЧИКОВ

Общее состояние рынка ЭМР

Глобальные тенденции на рынке электромагнитных (индукционных) расходомеров (EMF, ЭМР) позволяют сделать достаточно оптимистический прогноз на перспективы продаж в текущем пятилетии.

Эксперты ARC Research, Flow Research и Frost & Sullivan оценивают суммарный рынок расходоизмерительной техники к 2006 г. в 4,2 млрд. долларов США. При этом, несмотря на значительное преобладание расходомеров переменного перепада давления (как с использованием сужающих устройств, так и осредняющих трубок Пито) в таких отраслях как нефтегазовая, нефтеперерабатывающая и химическая промышленность, ЭМР уверенно занимают второе место среди технологий измерения расхода.

Более позднее исследование ARC Advisory Group от 16 июня 2003 г. подтверждает прогноз об увеличение рынка ЭМР расходомеров к концу 2007 года до 650 миллионов долларов со среднегодовым приростом около 2% (в настоящее время около 590 миллионов долларов). С одной стороны, снижение инвестиций в производство ЭМР в связи с их мировым перепроизводством, циклическая ремиссия в таких отраслях промышленности, как химическая и целлюлозно-бумажная, которые издавна являются основными потребителями ЭМР, снижает долю рынка, но с другой стороны, новые законы и правила, направленные на регулирование природопользования и защиту окружающей среды, стимулируют бурный рост этих сегментов рынка и, в первую очередь, в водоснабжении и канализации. Более того, приватизация водоснабжения и канализации стало общемировой тенденцией, и как следует из опыта, повлечет привлечение инвестиций в этот сегмент экономики для обновления парка водосчетчиков.

Ожидается рост потребления ЭМР в пищевой промышленности, в производстве напитков и фармацевтической промышленности. Европейский и североамериканский рынки ЭМР достигли насыщения и могут рассчитывать лишь на незначительный рост. Азиатский рынок, и в первую очередь Китай и Индия, напротив являются самой благоприятной зоной, так как там наблюдается рост промышленного производства и активное строительство инженерной инфраструктуры. Они также являются для производителей перспективными центрами размещения производства ЭМР.

Рост рынка стимулируют и появившиеся на рынке комбинированные ЭМР (измеряющие кроме расхода, также температуру и давление рабочей среды), что позволяет использовать меньшее число измерительных приборов, снизить вмешательство в технологический процесс (уменьшить число точек врезки) и снизить вероятность утечек. Измерение расхода в частично заполненных трубопроводах, бесконтактным методом (с емкостными электродами) и двухпроводное подключение расходомера – эти инновации еще слабо представлены на рынке, но их ждет бурный рост в рассматриваемом периоде. Последнее подразумевает использование цепей питания также для передачи измерительной информации (токовой 4-20 мА и/или HART-коммуникации – род модемной связи с использованием импульсно-кодовой модуляции). Для такой связи необходимо снижение тока собственного потребления ЭМР ниже границы 4 мА. Следующим шагом должно стать гибридное питание расходомера с резервным питанием от встроенных аккумуляторов, а затем и полностью автономное.

В основу работы ЭМР положен закон электромагнитной индукции Майкла Фарадея (Michael Faraday), согласно которому изменение полного магнитного потока порождает в проводнике индукционную электродвижущую силу (э.д.с.), пропорциональную ему (1).

При этом э.д.с. возникает независимо от причины изменения магнитного потока – как от изменения самого поля, так и от движения проводника [1]. Поэтому при движении проводящей жидкости в магнитном поле на ней наводится э.д.с. пропорциональная скорости изменения магнитного потока, а значит скорости движения жидкости.

Кстати, первые попытки измерить дебет Темзы - при наличии всех требуемых компонентов: магнитного поля (Земли), потока проводящей жидкости (воды) и измерительного устройства (гальванометра) - не увенчались успехом, вследствие чрезвычайно низкого уровня измеряемых сигналов и возможностей измерительной техники XIX века.

Фундаментальные процессы в движущейся в магнитном поле жидкости изучаются в магнитной гидродинамике, объединяющей систему уравнений Джеймса Максвелла (James Clerk Maxwell) (2.1-2.3), описывающую электромагнитное поле и систему гидродинамических уравнений: непрерывности (3.1) и Навье-Стокса (Navie-Stokes) (3.1), которые можно решать раздельно при допущении, что электромагнитное поле и профиль скорости потока жидкости взаимно не деформируют друг друга.

Из этого допущения следует, что можно пренебречь электромагнитными силами по сравнению с инерционными, индуцированным магнитным полем по сравнению с внешним полем.

В предположении об изотропности проводимости и отсутствия намагниченности жидкости Дж.Шерклифф (J.A.Shercliff) показал [2], что для сред с ионной проводимостью задача описания электромагнитных явлений состоит в определении потенциала электрического поля, выражающегося уравнением (2.2)

Применив операцию div к обеим частям уравнения (2.2) и учитывая, что  получим

так как

то

для  и тогда

Для упрощения предположим, что магнитное поле постоянно и равномерно и на него не влияет электрический ток, индуцированный потоком, вследствие низкой электропроводности среды [3]. В этом случае и в предположении, что вектор магнитной индукции направлен вдоль оси x, а вектор скорости потока среды вдоль оси z, а также опуская релятивистские члены, получим из (4):

Где - лапласиан

соответствующие, отличные от нуля, компоненты индукции магнитного поля и скорости жидкости.

В случае канала круглого сечения с непроводящими стенками (т.е. ток через изоляционный слой отсутствует) для электрического потенциала будем иметь следующие граничные условия

Распределение потенциала для симметричного относительно оси канала профиля скорости потока может быть получено из решения фундаментального уравнения (5) и в цилиндрических координатах будет иметь гармоническое распределение потенциала от угла :

где  - средняя по сечению канала скорость потока

Определим по формуле (6) разность потенциалов в точках P и Q с координатами (0, а, 0) и (0,-а,0), где располагаются точечные электроды.

Где D=2×a – внутренний диаметр канала.

Полученная формула (7) демонстрирует пропорциональность наводимой э.д.с. магнитной индукции, расстоянию между электродами и средней по сечению скорости потока. Последнее крайне важно для понимания основного достоинства ЭМР по сравнению с другими принципами измерения расхода – измерение средней скорости потока, а значит и объемного расхода производится по всему сечению канала, что позволяет реализовать не только инвариантность по отношению к характеру движения жидкости (ламинарный, переходный и турбулентный), но и даже к искажению профиля скорости потока.

В канале, заполненном жидкостью,  поэтому магнитное поле потенциально и может быть описано скалярным магнитным потенциалом , таким, что . Поскольку divB = 0, то функция  подчиняется уравнению Лапласа:

М.Бевир (M.H.Bevir) ввел [4] понятие вектора весовой функции W, имеющей физический смысл весового множителя для элементарного объема жидкости , вносящего вклад в создание э.д.с.

Для жидкостей с ионной проводимостью справедливо уравнение

где J - плотность циркуляционного «виртуального» тока.

Очевидно, что в случае divW = 0, индуцированное напряжение будет независимым от профиля скорости потока, т.е. будет получен «идеальный расходомер».

Бевир показал также, что если

где F и G – решения уравнения Лапласа, то простое решение будет, если градиент F или G будет постоянным, а другой лежать в плоскости перпендикулярной ему. В случае если вектор магнитной индукции В будет постоянным, будет постоянным .

Наконец, Бевир показал, что «идеальный расходомер» может быть реализован с помощью прямоугольного канала (ось z) с длинными электродами по все высоте параллельных стенок канала и постоянным и равномерным магнитным полем (ось y).

Для него

В отечественной литературе под весовой функцией w принято понимать производную функции Грина по радиус-вектору, являющейся решением уравнения (4). В этом представлении весовая функция имеет более четкий физический смысл и не зависит от индукции магнитного поля [5]. Весовая функция в этом случае при условии изотропной проводимости жидкости является функцией геометрии канала, формы и расположения электродов, с которых снимается э.д.с.

Из предыдущей формулы наглядно видно, что при условии формирования распределения индукции магнитного поля таким образом, что , индуцируемая э.д.с. пропорциональна средней по сечению скорости потока, т.е. не зависит от профиля потока.

Конструкция первичного преобразователя расхода с каналом прямоугольного сечения является постоянным источником вдохновения для разработчиков ЭМР с 60-х гг. прошлого века. У такого ППР, при условии создания индуктором равномерного магнитного поля и наличия протяженных электродов по всей высоте канала индуцируемая, э.д.с. будет инвариантной к профилю скоростей потока. Любое изменение профиля, вплоть до жгутования ядра потока, не окажет ровно никакого влияния на показания ЭМР, что позволяет устанавливать ППР непосредственно перед гидравлическим сопротивлением. Кроме этого, поскольку векторы скорости и магнитной индукции взаимно ортогональны, то сигнал э.д.с. будет достигать максимальных значений по сравнению с другими конструкциями ППР. К сожалению, у прямоугольного канала имеются и определенные недостатки. Строительная длина ППР существенно увеличивается за счет необходимости осуществления перехода с круглого сечения трубопровода на прямоугольный канал ППР. Прямоугольная форма геометрически неустойчива и имеет большую чувствительность размеров и формы канала к давлению рабочей среды. Для исключения такого влияния целесообразно использование проточной части из керамики или других устойчивых материалов. Кроме того, краевые эффекты, связанные с ограниченной протяженностью поля и изоляционного покрытия, несколько снижают идеальные свойства прямоугольного канала. Практическая конструкция такого ППР, разработанная Clorius [6], практически не изменялась в течение более 20 лет (!), что для техники конца XX века явление крайне редкое.

Если первые ЭМР использовали переменное магнитное поле сетевой (50/60 Гц) частоты, то в последние десятилетия в ЭМР используется практически только постоянное, а точнее, квазистационарное, импульсное магнитное поле (DC pulsed) сравнительно низкой частоты (единицы Герц), позволяющее избавится от неинформативных квадратурных компонент в измерительном сигнале. Верхняя частота формирования импульсного поля ограничена потерями в стали на индукционные токи и постоянной времени установления магнитного поля, а нижняя – временем установления электрохимического напряжения несимметрии, т.е. поляризации электродов.

Вместе с тем, ведется поиск иных решений, обеспечивающих исключение т.н. «трансформаторной помехи», емкостных утечек и других помех, синхронных с полезным сигналом, а также поляризации диэлектрика. Если рассматривать движение проводящей жидкости, как проводника в магнитном поле, то переменное магнитное поле генерирует в контуре, содержащем деформируемый участок, э.д.с состоящую из двух компонент: первую, пропорциональную скорости деформации (движения жидкости) и вторую, неинформативную, являющуюся аддитивной погрешностью измерения скорости:

Для устранения второй компоненты уравнения (11) используют либо импульсное магнитное поле (при котором производная магнитного потока в течение времени измерения равна нулю), либо фазочувствительные схемы измерений, использующие взаимную ортогональность этих компонент. Поскольку эти компоненты связаны с пространственным и временным изменением контура, то в [7] было предложена специальная конфигурация магнитного поля, позволяющая отделить одну составляющую от другой с использованием переменного магнитного поля и исключить погрешности, вызванные емкостной связью цепи возбуждения с измерительной цепью, емкостными и индукционными токами в измерительном кабеле и сдвигом фазы измерительным преобразователем.

Использование методов томографии предложено [8] в ЭМР с вращающимся магнитным полем и несколькими парами электродов. В простейшем варианте такой ЭМР имеет индуктор, состоящий из двух пар катушек, расположенных эквидистантно друг от друга на поверхности канала ЭМР и двух пар электродов, оси которых совпадают с осями соответствующих пар катушек. Весовая функция в этом случае приближается к идеальному распределению, обладающему угловой симметрией. Ток возбуждения синусоидальной формы и частотой 25 Гц и сдвигом фаз 90° (sin в одной и cos в другой) создает равномерное вращающееся поле. Сигналы с электродов усиливаются, перемножаются с сигналами синхронизированного с сетью генератора, суммируются и фильтруются. Экспериментальные исследования ЭМР с вращающимся магнитным полем показали высокую эффективность измерения средней скорости потока, малое отклонение показаний при сильных искажения профиля с помощью сегментных диафрагм.

Исследование структуры потока и томографическое его отображение реализуется также и в предложенном в [9] ЭМР с радиальным магнитным полем. В этой конструкции наряду с основным индуктором, имеющим пару катушек с осями перпендикулярными оси трубопровода, имеются две дополнительные катушки, намотанные на трубе ППР по обе стороны от плоскости поперечного сечения в области электродов. Если первая пара создает поперечное магнитное поле, то катушки второй пары, включенные встречно, создают продольные поля, благодаря чему в центральном сечении канала образуется радиальное поле, быстро уменьшающееся к центру канала до нуля. Включая последовательно поперечное и продольное магнитные поля, можно как измерить объемный расход, так и получить информацию о структуре потока. Последняя возможность позволяет осуществить не только измерение расхода в расходомерах со свободной поверхностью жидкости (неполным заполнением трубопровода), но и мониторинг структуры потока, особенно важный при транспортировки сложных жидких многофазных сред (пульп и т.п.)

Конструктивно первичный преобразователь расхода (ППР) электромагнитного типа состоит из проточной части – трубы из немагнитной стали, имеющей изоляционное покрытие, электродного узла, включающего пару или более электродов и индуктора, состоящего из пары катушек и создающего магнитное поле.

Кроме трубы с футеровкой существуют конструкции с трубой из непроводящего материала и даже из металлической трубы без изолирующего покрытия [10]. В последнем случае ППР, кроме изолированных от трубы измерительных электродов, имеет также две пары токовых и потенциальных электродов, с помощью которых сервоусилители, задают ток в трубе, пропорциональный расходу, поддерживая потенциал проводящей трубы равный потенциалу измерительного электрода.

Керамические трубы используются в конструкциях ППР ЭМР Danfoss, Krohne, Yamatake, ТБН-Энергосервис и др. Если первые в списке обеспечивают герметичность конструкции с помощью пайки электродов , то другие, утверждают, что только наличие уплотнений и компенсаторов позволяют исключить растрескивание керамики и обеспечить допустимую скорость изменения температуры среды до 100°С/c.

Футеровка, тем не менее, является самым практичным и применяемым элементом конструкции ППР. Материал футеровки определяет как технические параметры (стабильность геометрических размеров и формы), так и технологические (диапазон допустимых температур и давлений рабочей среды), и, кроме того, эксплутационные характеристики (надежность, долговечность). В качестве изоляционного покрытия используются: твердая резина, полиэтилены, полипропилены, эмаль, стекловолокно, фторопласты, в том числе армированные сеткой из нержавеющей стали для повышения прочности, керамика и т.п.

Самыми распространенными материалами являются фторопласты (PTFE, PFA и др.), поскольку наряду с исключительно высокими изоляционными свойствами, они обладают высокой стойкостью к агрессивным средам, низкой адгезией и адсорбцией, высокой рабочей температурой. Однако многие фторопласты имеют высокий температурный коэффициент объемного расширения, склонны к холодотекучести, имеют низкую конструкционную прочность. Полимер PFA (прозрачный фторопласт) имеет сравнительно меньшую пористость и текучесть и более механически прочен. Для дополнительного повышения прочности футеровки трубы из фторопласта армируют металлической сеткой из немагнитной нержавеющей стали.

Для ППР больших диаметров при измерении водных растворов используется также твердые и обычные резины на базе фторкаучуков и бутиленовых каучуков.

Футеровка из термореактивных пластмасс на фенолформальдегидной основе, в том числе и армированной стекловолокном (АГ4, АГС), недопустима с точки зрения санитарных норм и, кроме того, подвержена влиянию высокой температуры, что ограничивает срок службы ЭМР в системах тепло- и водоснабжения. Имелись случаи разрушения такой изоляции при эксплуатации в тепловых сетях.

Интересно, что эмалевое покрытие труб встречалось у первых ЭМР, но было отвергнуто из-за его хрупкости, которая приводила к потере изоляционных свойств. Но в настоящее время ЗАО «Промсервис» (г.Димитровград) в своей конструкции ППР ЭМИР (ПРАМЕР 540), видимо, на новом витке развития технологии, вернулись к эмалевому покрытию [11].

Новый полимер Фортран, по заявлению конструкторов Арзамасского приборостроительного завода, является весьма перспективным, так как устойчив к воздействию высокой температуры и давлению, хорошо сохраняет форму и имеет низкий коэффициент теплового расширения.

Кроме типа материала на технические, технологические и эксплуатационные характеристики ППР влияет также конструкция и технология футеровки. Неправильное соотношение диаметров металлической опорной и изолирующей трубы может привести к изменению геометрии канала при воздействии температуры и давления рабочей среды (т.н. «схлопывание» или аксиальная неустойчивость), большая толщина футеровки – к значительной зависимости диаметра канала от температуры. Свободная отбортовка изолирующего покрытия требует наличия технологических фланцев для фиксации футеровки при транспортировке, однако при повышении температуры среды возможно отслоение фторопласта от трубы и изменение метрологических параметров, растрескивание в зоне максимальных напряжений на изгибе, вытекание фторопласта внутрь канала. Если применяются термопластичные пластмассы или литьевой фторопласт, то отбортовка покрытия трубы фиксируется замком во фланце в виде «ласточкина хвоста», что позволяет надежно закрепить покрытие. В противном случае, для исключения отслоение покрытия, применяют дополнительные кольца и фланцы для его закрепления.

Электродная система – весьма ответственный узел ЭМР, определяющий возможность утечек рабочей среды по электродам вследствие термоударов, вакуумирования и других причин. Электроды выполняются из различных металлов, обладающих высокой коррозионной стойкостью к измеряемой среде: никельсодержащие аустенитные стали (316L, 12Х18Н10Т), сплавы Ni-Mo (HastelloyÔ B, C, F), Ni-Cu (MonelÔ) Pt, Ti, Ta, Zr. Для компенсации термического и усталостного расширения применяют пружинные компенсаторы, а для контроля утечек – контрольные контакты. Контроль утечек через электроды с помощью дополнительного контрольного контакта был предложен ведущим конструктором AO Aswega Мясс Л.В. и защищен Свидетельством РФ на полезную модель №20959.

Поскольку наличие уплотнений имеет теоретическую возможность утечек, предпринимаются попытки исключить этот элемент, например, изготовлением цельной конструкции электрод-труба. В керамических трубах (алунд Al2O3) используется активная пайка (под вакуумом при высокой температуре) платиновых электродов (Pt 99,9%) к керамической трубе с помощью припоя на основе сплава Au-Ti.

Другой вариант - изготовление электродов из углепластика на фторопластовой основе с частицами углерода, получаемых в едином технологическом процессе изготовления изолирующей трубы - был предложен главным технологом Кирово-Чепецкого приборного завода «Кристалл» Баскиным З.Л. Оригинальная конструкция не получила, однако, широкого распространения из-за выкрашивания и вымывания углеродных частиц.

Первичные преобразователи расхода оснащаются также дополнительными конструктивными элементами, например заземляющими кольцами или фланцами, которые выполняют как функцию центрирования ППР относительно трубопровода, так и обеспечивают электрическую связь с рабочей средой. При отсутствии заземляющих колец или фланцев, в трубу ППР вводится дополнительный (третий) электрод, который, кстати, может использоваться также для целей диагностики состояния процесса, неполного заполнения или опустошения канала.

Кардинальное решение проблем утечек это отказ от контакта со средой и переход к бесконтактному (емкостному) принципу съема сигнала, позволяющий не только избежать утечки по электродам, но и исключить коррозию электродов, какое-либо искажение потока, позволяет измерять расходы жидкости с крайне низкой проводимостью. Недостатком такой конструкции следует считать несколько большую погрешность измерений, менее устойчивый измерительный сигнал и ограниченный ряд Ду используемых первичных преобразователей с проточной частью, выполненной из керамики.

Моноблочное (интегральное) исполнение электронного блока имеет целый ряд преимуществ по сравнению с раздельным (удаленным). Отсутствие соединительного кабеля исключает возникновение емкостным и индукционных помех, связанных с утечками и поляризацией диэлектрика, позволяет измерять среды с более низкой электропроводностью. Однако наличие электронного блока на трубопроводе ограничивает максимальную температуру рабочей среды (обычно до 100°С) из-за опасности перегрева электронной схемы от радиационного нагрева и теплопроводности, а также ухудшения условий охлаждения. Если требуется измерение более высоких температур, то приходится использовать высокотемпературные электронные компоненты, применяемые в оборонной технике (Military Standard), имеющие значительно более высокую стоимость, чем общепромышленные (Industrial Standard). Кроме того, возможные утечки агрессивной рабочей среды могут также повредить электронную схему.

Питание индуктора осуществляется низкочастотным импульсным током в форме меандра или меандра с паузой с целью исключения поляризации электродов, вызванной различными причинами [9, 12]. Так как спектр шумового сигнала имеет функцию , то в случае использования ЭМР для измерения расхода «сложных» рабочих сред, например, бумажной или угольной пульпы необходимо повышать частоту для улучшения соотношения сигнал/шум. То же и для быстродействующих ЭМР-счетчиков, предназначенных для дозирования или автоматического регулирования с этими потерями приходится мириться, чтобы иметь возможность измерения быстропеременных потоков, например, для заполнения емкостей за короткий промежуток времени или чтобы не вносить дополнительных фазовых сдвигов и не снижать устойчивость систем автоматического регулирования. Один из выходов - патентованная система двухчастотного формирование поля индуктора используется одним из мировых лидеров – японской фирмой Yokogawa в ЭМР, в котором с основной сигнал индуктора меандр модулируется высокочастотным 50 Гц сигналом [13]. У расходомеров Rosemount (Emerson Process Management) возможно переключение частоты питания индуктора с 5 на 37,5 Гц, что повышает отношение сигнал/шум на 20 дБ. Кроме того, имеется модель 8707/8712H со специальным индуктором, питаемым током 5 А (!) вместо 0,5 А, что позволяет увеличить магнитную индукцию в 10 раз и получить такое же повышение отношения сигнал/шум. Указанные мероприятия, по данным фирмы Rosemount, в пять раз эффективнее, чем двухчастотное возбуждение Yokogawa и позволяют получить стабильные, устойчивые показания в самых тяжелых условиях эксплуатации в промышленности.

Следует отметить, что в конструкциях некоторых расходомеров (например, ранние модели Danfoss, Aswega) использовалось однополярное питание индуктора, с постоянной составляющей магнитного поля, что создавало условия для осаждения магнитных частиц в канале ППР и увеличивала электрохимическое напряжение несимметрии (ЭХН). Поскольку индуктор является самым большим потребителем электроэнергии ЭМР, то для ее снижения японскими учеными были предприняты попытки использования постоянных магнитов на базе ферромагнетиков с прямоугольной петлей гистерезиса. Для исключения ЭХН осуществлялось изменение направления вектора индукции магнитного поля путем перемагничиванием сердечника импульсом тока. Однако нестабильность магнитных свойств ферромагнетиков и дрейф характеристик препятствовал развитию этой технологии.

Современные передающие преобразователи (электронные блоки) ЭМР оснащаются АЦП с высоким разрешением, графическими дисплеями с клавиатурой и, как правило, имеют частотный (унифицированный 0-1000 Гц или нестандартные 0-5 кГц, 0-10 кГц) и/или импульсный выходной сигнал с программируемым весом импульса, токовые выходные сигналы (0-5, 0-20 и 4-20 мА). Токовый выходной сигнал 4-20 мА часто используют при двухпроводной схеме подключения, когда собственное потребление ЭМР меньше нижней границы выходного тока 4 мА.

Широкое применение микропроцессорной техники породило категорию «интеллектуальных» (smart, intelligent) ЭМР, которые обладают рядом новых потребительских функций: интерактивный режим отображения и ввода информации, «дружественный» пользовательский интерфейс с интуитивно-понятной системой меню, развитые средства диагностики и самоконтроля, цифровые интерфейсы для удаленной связи. Цифровой интерфейс HART (Highway Addressable Remote Transducer), стал неформальным обязательным стандартом для устройств полевой автоматики и ЭМР в частности. Этот интерфейс основан на стандарте Bell 202 и представляет собой коммуникационный стандарт, использующий наложение синусоидальных колебаний звуковой частоты (1200 Гц для логической «1» и 2200 Гц для «0») на токовый выходной сигнал 4-20 мА Среднее значение сигнала за время измерения равно нулю и не оказывает влияния на токовый выходной сигнал. Для съема сигнала HART в цепи питания (и токового выходного сигнала) должно быть сопротивление не менее 250 Ом. Преимущества этого стандарта заключается в использовании тех же кабельных соединений, часто уже проложенных, как для питания, так и для информационной связи. Широко используются и другие интерфейсы цифровой связи других стандартов: RS-232C, RS-485, Ethernet, M-Bus и др.

Значительное потребление электроэнергии ЭМР по сравнению с другими принципами измерения расхода является, пожалуй, одним из главных недостатков метода. Потребляемая мощность ЭМР снизилась за последние 50 лет примерно в десять раз со 100 В×А до 10 В×А, однако и эта величина слишком велика для приборов с автономным питанием. Радикальное снижение энергопотребления – магистральный путь развития ЭМР. Кирпичников А.П. (ИПУ РАН, Autex Ltd), из опыта разработки устройств по выделению и обработке слабых сигналов на фоне сильных помех, предложил электронную схему [14], использующую корреляционные методыи БПФ для ЭМР со слабым магнитным полем (токами индуктора на уровне 0,1 мА). К сожалению, в то время не существовало 0,2 мкм технологии производства СБИС, поэтому аккумулятор емкостью 1,2 А×ч, обеспечивал непрерывную работу всего в течение 27 часов. Паллиативным решением проблемы перерывов в электропитании ЭМР является использование источников бесперебойного питания UPS и питание от солнечных батарей. Полностью автономное электропитание ABB Instrumentation и ЭМР СТБ-И-001 производства ООО «НПП СТРОБ» (Ростов-на-Дону) от литиевой батареи 17 А×ч в течение 3 лет обеспечивается, по-видимому, за счет недопустимого снижения динамических характеристик ЭМР из-за дискретного измерения расхода. Кроме того, оснащение ЭМР современными интерфейсами цифровой связи требуют значительной энергоемкости, которая не может быть обеспечена с использованием автономных источников питания.

Самодиагностика узлов ЭМР и линий связи, предполагалась как одна из опций повышающая потребительские свойства ЭМР, но не более того. Вместе с тем, новые руководящие материалы, такие, как NAMUR 2650 Sh.3, устанавливающие не только наиболее часто встречающиеся виды отказов полевой автоматики (средств измерений нижнего уровня), основанный на опыте производителей и пользователей, но диагностический лист пожеланий. Учитывая особую важность ЭМР в ответственных технологических процессах, они также включены в Руководство. (2-й уровень полноты безопасности) Safety Integrity Level 2 (SIL2) certificate for the ISE 61508. Диагностика работоспособного состояния ЭМР, включая метрологическую достоверность измерений, имеет крайне важное значение при учетных операциях (custody transfer), так как является основой для взаимных расчетов и предъявления претензий. Система диагностики новейших ЭМР серии Optiflux фирмы Krohne de facto задает новый стандарт для ЭМР нового поколения [15]. Она охватывает не только практически все внутренние устройства ЭМР, но и состояние процесса и смежных устройств. Описание нештатных ситуаций, типичных причин их появления и оказываемых воздействий, а также способы их обнаружения приведены в таблице.

Токовый аналоговый выход: контроль обрыва цепи и превышения максимальной нагрузки.

Сигнальные цепи и электронный блок: точность, линейность, функционирование микропроцессорного устройства, функционирование памяти, температура электронных схем.

Мониторинг измерительных электродов осуществляется с помощью измерения сопротивления переменному току измеряемой среды. Встроенный генератор переменного тока, подключаемый к измерительным электродам, создает на этом сопротивлении соответствующее падение напряжения, которое должно быть в определенных пределах для известной среды.

Короткое замыкание и обрыв цепи электродов (и линий связи для раздельного исполнения ППР и измерительного преобразователя).

Проводимость электродов/рабочей среды вне допустимых пределов для ЭМР или рабочей среды

- смена рабочей среды (ЭМР сигнализирует о смене рабочей среды на, например, моющий раствор при технологии неразборной очистке трубопроводов).

- качество процесса очистки, например, для сточных вод.

Контроль измерительного тракта осуществляется кратковременной подачей тестового сигнала в измерительную цепь и проверка на соответствие заданному значению.

Контроль искажения профиля скорости потока измеряемой среды с помощью создания инверсного магнитного поля в одной из катушек индуктора. При наличии искажений профиля (отсутствия осесимметричности) сигнал на измерительных электродах будет отличным от нулевого.

Обнаружение шумов производится с помощью перемножения сигнала с измерительных электродов с тестовым сигналом удвоенной частоты с паузой для установления процесса. При отсутствии помех сумма этих произведений за каждую полуволну измерительного сигнала должна быть равна нулю.

Линейность магнитной цепи индуктора и отсутствие внешнего магнитного поля сторонней природы проверяется с помощью уменьшения сигнала индуктора, а следовательно и магнитного поля в два раза, при этом измеренный сигнал должен быть также в два раза меньше. Если магнитная цепь индуктора имеет остаточное намагничивание или существует внешнее магнитное поле, то из-за насыщения сердечника при максимальном сигнале уменьшение сигнала при снижении тока в два раза будет меньшим, чем в два раза.

Взаимозаменяемость ППР и ЭБ является весьма привлекательной пользовательской функцией. Получить разброс номинальных статических характеристик в пределах допустимой погрешности не представляется возможным, поэтому используются другие методы, например, в ЭМР MAGFLO фирмы Danfoss данные калибровки ППР запоминаются в модуле SENSORPROMÔ, расположенном в клеммной коробке ППР и считываются электронным блоком при включении ЭМР. Таким образом, возможна полная взаимозаменяемость первичных преобразователей даже различных диаметров и электронных блоков ЭМР.

В то время как за рубежом развитие ЭМР идет по пути создания все более совершенных приборов, оснащенных массой дополнительных функций, в России наблюдается обратный процесс - предельное упрощение схемотехники электронных схем и конструкции первичных преобразователей ЭМР с целью повышения их конкурентноспособности. Последняя цель уже достигнута – некоторые простые модели ЭМР имеют стоимость сравнимую не только с ультразвуковыми или вихревыми расходомерами, но даже с тахометрическими (турбинными и крыльчатыми) водосчетчиками. К сожалению, не все простое – гениально, поэтому рассчитывать на выдающиеся характеристики таких средств измерений не приходится. Так пределы относительной погрешности измерения расхода и объема ±2% обеспечиваются в динамическом диапазоне немногим более 1:10, а сервисные возможности и самодиагностика - минимальны. Впрочем, есть примеры, когда новые разработки идут «нога в ногу» с передовыми мировыми тенденциями. Так, фирма Интелприбор (г. Жуковский Московской области) недавно анонсировала комбинированный модуль М111, объединяющий в едином конструктиве ЭМР, термопреобразователь и датчик давления.

Типичный динамический диапазон измерений расхода ЭМР в несколько раз превышает динамические диапазоны ультразвуковых, вихревых и тахометрических расходомеров. При этом, для осесимметричных потоков показания ЭМР не зависят от характера движения, что позволяет измерять очень низкие скорости, соответствующие ламинарному режиму. Диапазон измеряемых скоростей потока ЭМР простирается от единиц миллиметров в секунду до 10-15 м/с, однако некоторые производители ограничивают этот диапазон из технологических или метрологических соображений. Например, фирма Foxboro рекомендует измерять расход при скорости потока в диапазоне 0,9-4,6 м/с, при возможности эрозии канала ППР ограничивать верхний предел скорости (0,9 - 1,8 м/с), при возможности выпадения осадков – нижний предел скорости (1,8-4,6 м/с).

Типичная погрешность измерений находится в пределах ±0,5% от измеряемой величины. Многие производители предлагают в качестве опции калибровку ЭМР с погрешностью ±0,2% и/или по более, чем трем точкам задаваемого расхода. Динамический диапазон измерения расхода многими западными производителями не указывается, а если указывается, то обычно он охватывает скорости потока, при которых относительная погрешность составляет 5 и более процентов.

Воспроизводимость показаний ЭМР изготовленных в дальнем зарубежье обычно не превышает ±0,1% от текущего значения расхода, производители ЭМР в России и ближнем зарубежье обычно не нормируют этот метрологический параметр.

ЭМР давно стали основой поверочных расходоизмерительных установок сличения [16], обеспечивая в сравнительно узком диапазоне расходов и эталонных условиях предельную точность в пределах относительной погрешности ±0,15%. Принимая во внимание, что большинство западных ЭМР имеет воспроизводимость показаний на уровне ±0,1%, то, видимо, этот уровень и определяет предел погрешности для настоящего уровня развития ЭМР.

Диапазон температур рабочей среды составляет от криогенных (минус 100°С) до перегретой воды (200°С), при давлениях от вакуума (10-2 мм.рт.ст.) до высоких скважинных (40 МПа).

Диаметры ППР для полнопроходных ЭМР находятся в пределах от 3 до 3000 мм, а для погружных ЭМР с локальными измерителями скорости от 300 до 4000 мм.

Проведение натурной калибровки полнопроходных ЭМР с диаметрами более 1000 мм требует совершенно уникальных поверочных установок, которых в мире единицы. В этом случае использование имитационных средств для поверки является разумной альтернативой более точным, но дорогостоящим натурным методам.

Требуемые прямолинейные участки без гидравлических сопротивлений различны у разных производителей и составляют от 3-5 Ду до и 1-3 Ду после места установки ППР. Для расходомеров с прямоугольным каналом прямолинейные участки трубопровода не требуются.

Как хорошо известно, ЭМР практически нечувствительны к характеру движения жидкости, т.е. ламинарному, переходному или турбулентному, при условии симметричности профиля скоростей относительно оси трубопровода, а также к давлению, температуре и вязкости измеряемой среды.

В случае осаждения на электродах осадков различной природы (накипь, заиливание) предусматривается периодическая чистка электродов без снятия ППР с трубопровода с помощью источника постоянного и переменного тока, подключаемого к ним и обеспечивающего пробой или выжигание этих осадков.

Если продвижение в России ЭМР для технических целей проходило достаточно спокойно, то для коммерческого учета энергоносителей носило поистине драматический характер, и было сопряжено со значительными трудностями. Несмотря на то, что электромагнитный принцип измерения расхода обладает рядом неоспоримых достоинств, таких как: высокая достижимая точность, широкий диапазон измерений скоростей, инвариантность к физико-химическим параметрам среды и характеру течения жидкости, применение ЭМР в системах теплоснабжения находилосопротивление. Так, под видом «опыта», родились некие мифы и ложные представления, которые надолго овладели умами некоторых весьма авторитетных специалистов.

Начало этому было положено статьей [17], в которой исследовался опыт специалистов Danfoss использования ЭМР в системах теплоснабжения Дании и делался вывод об их непригодности в указанных целях. Вместо ЭМР рекомендовались ультразвуковые расходомеры Sonoflo этой же фирмы. Эта статья быстро была «разобрана на цитаты» и ужасающие своей безысходностью цифры появились то в одном, то в другом уважаемом издании: «…в процессе эксплуатации, постепенно, через 6-12 месяцев, их (ЭМР – авт.) показания становятся на 30-40% ниже действительных значений…» [18], «…они (ЭМР – авт.) не способны с необходимой точностью измерять расход при незначительных скоростях потока», поэтому «вынуждает…выполнять местное сужение…что неизбежно приводит к дополнительным потерям давления…» [19].

На самом деле, были, а может, и остаются, совершенно объективные и субъективные причины для тревоги по поводу использования ЭМР в системах теплоснабжения Дании. Во-первых, теплоноситель в Дании имеет весьма низкую электропроводность, что может являться проблемой для измерения расхода ЭМР, во-вторых, возможно в системах теплоснабжения Дании находится значительное количество магнетита. Магнетит Fe3O4 – это обычная окалина, черного цвета, образующаяся при сварке, резке стальных конструкций и при контакте стали с водяным паром, например, в паровых котлах. В Российских системах теплоснабжения чаще встречается гидроксид железа (III) Fe(OH)3 – это ржавчина, цветом от оранжевого до красно-коричневого, преимущественно состоящей из немагнитной формы aFe2O3(3×H2O), т.к. магнитная форма gFe2O3(3×H2O), имеет меньшее значение энергии Гиббса, а значит менее стабильна. [20]. В-третьих, схемотехнические решения расходомера Magflo с целью снижения стоимости имеют однополярное питание катушек индуктора, что приводит к постоянной составляющей магнитного поля и теоретической возможности осаждения магнетита или других ферромагнитных частиц на футеровку канала ППР и короткого замыкания электродов.

С другой стороны, данные эксплуатации Magflo в Санкт-Петербурге опубликованные в [21] представителем Danfoss, наоборот, подчеркивают отличия российских условий применения от датских: «…средняя суточная погрешность измерения массового расхода за этот период (267 дней отопительного сезона 1994-1995 гг. - прим. Г.С.) составила ±0,09%, а максимальная ±0,25%...».

Скорее всего, основная задача публикации исходила из субъективной причины: цены Magflo (кстати, одного из самых лучших ЭМР на мировом рынке) совершенно неконкурентны по сравнению с ультразвуковыми расходомерами и, тем более, отечественными приборами. Это подтверждается заключением экспертов ведущего института НИИтеплоприбор [22] :«…Тем не менее, делаются попытки изыскать доводы, ограничивающие применение электромагнитного метода измерения расхода в указанных целях. Такие попытки носят сугубо конъюнктурный характер и направлены на рекламирование других методов измерения расхода…» И, наконец, длительный успешный опыт эксплуатации ЭМР в различных регионах России подтверждается в [23].

Часто нечеткие формулировки приводят к смешению понятий и возникают казусы. Так, в работе Шорникова Е.А. [24] в одном классе оказались и ЭМР и вихревые расходомеры с электромагнитным съемом информации и был сделан обобщающий вывод «…стоимость эксплуатации ЭМР выше, чем УЗР, по следующим причинам. В процессе эксплуатации ЭМР периодически необходимо изнутри датчика, прочищать иногда часто (при «плохой» воде, содержащей много осаждающих примесей, влияющих на работу)…» Если для вихревых расходомеров с постоянным магнитом накопление магнитных осадков действительно крайне важно, то для ЭМР с двуполярным импульсным магнитным полем это мало актуально. Например, известен факт использования ранних модификаций теплосчетчиков SA-94 на базе ЭМР в г.Мурманске, где, действительно пришлось отказаться от их применения вследствие осаждения магнитных частиц из-за постоянной составляющей магнитного поля индуктора. В то же время другие теплосчетчики (СТЭМ) на базе ЭМР с двуполярным магнитным полем успешно работали в тех же самых трубопроводах.

Интересно, что в двух российских мегаполисах по-разному складывалось формирование парка теплосчетчиков для узлов коммерческого учета. Если в «первопрестольной» внедрение теплосчетчиков на базе ЭМР велось активно, благодаря усилиям филиала «Тепловые сети» ОАО МОСЭНЕРГО и МУП «Мосгортепло» в первую очередь, за счет поставок теплосчетчиков ТС-01 на базе расходомера ИПРЭ-1 Арзамасского приборостроительного завода (г.Арзамас) и теплосчетчиков ТС-45 на базе расходомера ИР-45, а впоследствии AS 2000A/45 и SA-94 производства «таллиннской» фирмы (бывший ПО «Промприбор», ставший АО Aswega), а также других теплосчетчиков, в основном московских производителей (РОСТ-5, 8, СТЭМ, ТРЭМ ПО «Машзавод Молния», КМ-5 «ТБН Энергосервис», ВИС.Т ЗАО «НПО «Тепловизор», МАГИКА, НПФ «ЭКОС», ) ближнего зарубежья (ТЭМ-05 СП «АРВАС», ТЭРМ СП «ТЕРМО-К») и дальнего зарубежья (Combimeter «Clorius/Raab K@rcher/Viterra»), то в «культурной столице» доминировали акустические расходомеры (ультразвуковые и корреляционные). И только, когда ЗАО «Взлет» освоил производство расходомера MP400 чешской фирмы «EESA» и разработал собственный ЭМР, а затем и другой петербургский производитель «Теплоком» начал производство ЭМР, то ситуация стала меняться в пользу ЭМР. В настоящее время ЭМР и теплосчетчики на их основе являются самыми перспективными в России и СНГ средствами коммерческого учета воды и тепловой энергии не только в высшем и среднем, но и даже низшем ценовом диапазоне и успешно конкурируют с тахометрическими расходомерами и счетчиками. В то же время некоторые эксперты полагают, что широкий динамический диапазон, низкая погрешность измерений, а также длительный межповерочный интервал, декларируемый в нормативно-технической документации многих отечественных производителей расходомеров (в том числе и электромагнитных) не обеспечивается не только в течение межповерочного интервала, но и при их выпуске из производства [25], [26].

На мировом рынке наиболее известны ЭМР следующих производителей:

Перечисленные расходомеры имеют близкие или совпадающие параметры, и лишь некоторые – выдающиеся. Так мировой лидер в производстве ЭМР концерн ABB производит модель Magmaster имеет нормированную относительную погрешность измерений расхода и объема в пределах ±0,15%, а также модель с потребляемой мощностью менее 0,5 Вт, другие лидеры – Krohne, Yokogawa производят ЭМР с емкостным съемом сигнала, ведущие японские производители Toshiba, Fuji, Yamatake – с двухпроводным подключением ЭМР.

Производители ЭМР и теплосчетчиков на их основе в России и ближнем зарубежье:

Литература.

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.- М.: ГИФМЛ, 1959. С.263.

2. Shercliff, J.A. The Theory of Electromagnetic Flow Measurement.: Cambridge University Press, 1962. P.

3. Yamasaki Hiro and others. A Magnetic Flowmeter with Conducting Pipe Wall for Expanded Field of Applications//Flow Measurement Flomeko: Budapest: AkadJmiai Kiad\, 1983. P.77-87.

4. Bevir, M.H. The Theory of Induced Electromagnetic Flowmeters//J. Fluid Mech. (1970) vol.43, part 3.

5. Вельт И.Д., Ламочкина Т.И., Петрушайтис В.И. Вопросы проектирования электромагнитных расходомеров с неоднородным магнитным полем//Приборы и системы управления, 1972. №9. С.33-35.

6. Huusom Jrrn. An Electromagnetic Flowmeter Especially Designed For Flow Measuring of Heat-Conveying Fluids. Flow Measurement: Flomeko, AkadJmiai Kiad\, Budapest, 1983. P.99-110.

7. Герасимчук В.А. CMI (Common-Mode-Immune) расходомеры//Измерительная техника 1990, №10. С.

8. Horner B. and Mesch F. An Induction Flowmeter Insensitive to Asymmetric Flow Profiles. Institut fьr MeЯ- und Regelungstechnik, Universitдt (TH) Karlsruhe, D-76128 Karlsruhe, Germany FLOMEKO’. P.

9. Вельт И.Д. Вопросы развития электромагнитного метода измерения расхода. Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара//Труды 12-й Международной практической конференции. СПб.:Борей-Арт, 2002.

10. Brockhaus Helmut, van der Pol Ronald, Schoth Ulrik, ied Klein Jьrgen Winfr. Capacitive Electro Magnetic Flowmeter (EMF) Using Mcrosystems Technology FLOMEKO’96 October 20-24, 1996 Beijing, China.

11. Ефремов А.Ю. и др. Электромагнитный преобразователь расхода жидкости ЭМИР (ПРАМЕР 540) – результаты сопоставительных испытаний//Коммерческий учет энергоносителей – СПб.: Борей-Арт, 2004.

12. Межбурд В.И. Электрохимический барьер в электромагнитных расходомерах. Совершенствование измерений расхода жидкости, газа и пара//Труды 12-й Международной практической конференции. СПб.:Борей-Арт, 2002.

13. Kuromori K., Goto Sh. and Matsunaga Y. Advanced Magnetic Flowmeters with Dual Frequency Excitation FLOMEKO’89 VDI-Verlag GmbH·Dцsseldorf 1989.

14. Кирпичников А.П. Электромагнитный расходомер-теплосчетчик на слабых полях//Организация коммерческого учета энергоносителей. СПб.: МЦЭНТ, 19.

15. Hofmann, Friedrich. Diagnostics in the OPTIFLUX. KROHNE Me8technik, 2004.

16. Kinghorn F.C.and MacLean E.A. The use of electromagnetic meters as transfer standards. National Engineering Laboratory, UK and J.Eberle and H.G.Kalkhof, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Federal Republic of Germany. FLOMEKO’85 Melbourne, Australia.

17. Петерсен, Алекс. Расходомеры, измеряющие со скоростью звука//Специальный выпуск журнала АВОК, М.: АВОК, 1993.

18. Разумов С.В., Чипулис В.П. Обзор рынка приборов учета тепловой энергии и тенденции его развития в России//Организация коммерческого учета энергоносителей. СПб.: МЦЭНТ, 1995. С.

19. Лупей А.Г. Об особенностях применения электромагнитных расходомеров и счетчиков в узлах учета тепловой энергии//Внедрение коммерческого учета энергоносителей. СПб.: МЦЭНТ, 1996. С.150-158.

20. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней.: Пер. с англ./под ред. А. М. Сухотина. -Л.: Химия, 1989. С.99-100.

21. Козлов А.И. Опыт внедрения и эксплуатации промышленной контрольно-измерительной аппаратуры компании Данфосс (Дания) для коммерческого учета тепловой энергии на объектах потребителей//Внедрение коммерческого учета энергоносителей. СПб.: МЦЭНТ, 1996. С.175-177.

22. Каргапольцев В.П., Порошин А.А. и др. О применении электромагнитных расходомеров для учета расхода теплоносителя//Внедрение коммерческого учета энергоносителей. СПб.: МЦЭНТ, 1996. С.147-149.

23. Вельт И.Д. и др. Преимущества электромагнитных тепосчетчиков при коммерческом учете тепловой энергии//Внедрение коммерческого учета энергоносителей. СПб.: МЦЭНТ, 1996. С.125-130.

24. Шорников Е.А. Выбор расходомеров и гильз термометров для узлов учета//Коммерческий учет энергоносителей: Труды 19-й международной конференции. СПб.: Борей-Арт, 2004. С.341-342.

25. Канев С.Н., Глухов А.П., Старовойтов А.А. Теплосчетчики: мифы и реальность. Труды 19-й международной конференции. СПб.: Борей-Арт, 2004. С.361-369.

26. Милейковский Ю.С. Реальности коммерческого учета тепловой энергии и теплоносителя в России. Сайт www.teplopunkt.ru

Директор по R&D

ЗАО «НПО «Тепловизор»

Директор

ЗАО «НПО «Тепловизор»

Директор по маркетингу, рекламе и PR

ЗАО «НПО «Тепловизор»

ЗАО «НПО «Тепловизор»

109428, Москва, Рязанский проспект, 8а, стр.9

тел./факс 730-47-44

e-mail: mail@teplovizor.ru,

http://www.teplovizor.ru