Керамика в электромагнитной расходометрии

   Идея измерять объемный расход жидких электропроводящих сред с помощью электромагнитной индукции принадлежит гениальному физику и вообще удивительному человеку, Майклу Фарадею. Ведь, если в измерительном канале мы создаем магнитное поле, направление вектора которого нормально вектору потока измеряемой жидкости, то в ней будет возникать электрическое поле, суммарная ЭДС которого будет пропорционально объемному расходу жидкости.

   Не вдаваясь в детальный анализ факторов, влияющих на коэффициент преобразования устройства, реализующего измерение расхода методом электромагнитной индукции (далее - электромагнитного преобразователя расхода), выделим наиболее существенные, такие как:

• форма и размеры измерительного канала;
• места размещения, геометрия и размеры электродов;
• величина и направление индукции магнитного поля, ее распределение в объеме измерительного канала.

   Следовательно, для создания метрологически надежного, со стабильным во времени коэффициентом преобразования расхода в электрический сигнал электромагнитного расходомера, его конструкция должна отвечать следующим требованиям:

• стабильности геометрии измерительного канала с учетом всех возмущающих факторов (давления, температуры, эффектов, сопровождающих старение, химического и абразивного воздействия измерительной среды, установочных, технологических и эксплуатационных воздействий на трубопроводы с измеряемой средой и т.п.);
• стабильности параметров магнитного поля с привязкой их к геометрии канала, опять же с учетом тех же возмущающих факторов, а также магнитоспецифичных факторов, влияющих на магнитные параметры материалов элементов конструкции магнитной системы, времени релаксации магнитного поля в них и др.

   Кроме этого необходимо обеспечить герметичность электродных узлов и подсоединительных элементов расходомера к трубопроводам с учетом всех возможных в процессе установки и эксплуатации воздействий на них, а также выполнить все конструктивно-технологические требования приборного производства.

   Все эти условия существенно ограничивают пространство жизнеспособных конструкторско-технологических решений первичных преобразователей электромагнитных расходомеров. Поэтому решение с использованием трубы из квазиаустенитной стали с изоляционным слоем, образованным фторопластовой трубой, втянутой в стальную с несущественными изменениями вот уже более 30 лет является доминантным в конструкции первичных преобразователей современных электромагнитных расходомеров. Использование других изоляционных материалов, твердых резин, полиуретана, фортрана и других современных полимерных материалов не меняет сути этого решения. Обеспечить высокую стабильность геометрии измерительного канала во всем диапазоне рабочих давлений и температур измеряемой среды при необходимой магнитной прозрачности в полной мере позволяет труба из коррозионностойкой квазиаустенитной стали (чаще всего «пищевой нержавейки» 12Х18Н10Т).

   Высокая механическая прочность (δв=400-500 МПа), низкий коэффициент линейного расширения в рабочем диапазоне температур от 0 до 150 ˚С (α<12х10^-6 ˚С) и максимальная магнитная проницаемость, не более 1,5, обеспечивают весьма высокие параметры электромагнитным расходомерам, использующим такую конструкцию первичных преобразователей. Однако эта конструкция не лишена недостатков, так коррозионностойкая сталь трубы имеет более чем на порядок отличный от фторопласта изолирующей трубы температурный коэффициент линейного расширения (следует отметить, что у большинства полимерных изолирующих материалов этот коэффициент превышает 100х10^-6 ˚С), это существенно снижает стабильность метрологических параметров при многократных воздействиях циклов нагрева и охлаждения измерительного канала первичных преобразователей. Магнитная проницаемость квазиаустенитной стали хотя и мала, но все же в 1,5 раза больше, чем у воздуха и воды, что частично экранирует магнитное поле в измерительном канале и является источником дополнительной нестабильности коэффициента преобразования расхода в электрический сигнал у первичного преобразователя. Более того, у квазиаустенитной стали в процессе механических воздействий, приводящих к пластической деформации, даже в малых зонах наблюдается самопроизвольный переход в ферритное состояние, при этом магнитная проницаемость возрастает в десятки и сотни раз, что приводит к дополнительной неоднородности и нестабильности магнитного поля в измерительном канале.

   Кроме этого, вода при длительном скоростном воздействии оказывает существенное абразивное воздействие на фторопласт изоляционной трубы, что особенно проявляется на технологических средах, содержащих взвешенные частицы твердых включений при высоких температурах измеряемой среды, на которых фторопласт резко теряет свою твердость и прочность. В этих условиях даже такие износоустойчивые изоляционные материалы, как полиуретан, или твердые резины не могут обеспечить приемлемых по продолжительности сроков эксплуатации.

   Вот почему мысль об использовании для формирования измерительного канала керамических материалов возникала неоднократно и была реализована несколько ведущими мировыми производителями расходомерной техники, такими как Krohne, Yamatake и др.

   Чем же хороши керамические материалы для формирования расходомерного канала?

   Это, прежде всего, высокая стабильность геометрии расходомерного канала, как при изменении температуры и давления измеряемой среды, так и в течение длительных сроков эксплуатации, в том числе и на сильно абразивных средах. В самом деле, твердость некоторых керамических материалов очень высока, порядка 9 единиц по шкале Мооса, и практически соответствует таким минералам, как рубин и сапфир, это обеспечивает минимальный износ поверхности даже на самых абразивных средах. Прочность большинства керамических материалов позволяет выдерживать испытательные давления свыше 5 МПа и даже гидравлические удары. Коэффициент температурного расширения большинства керамических материалов не превышает 3-5х10^ˉ6˚С, а для некоторых вообще близок к нулю, что делает конструкцию расходомерного канала, изготовленного из них, практически независящей от температуры. Магнитная прозрачность большинства керамических материалов абсолютная и соответствует воздуху. При этом у всех керамических материалов, кроме специальных, очень высокие электроизоляционные свойства. Так удельное электрическое сопротивление керамики превышает 1013 Ом.м, что позволяет обеспечить сопротивление изоляции между электродами и в электродно-индукторной цепи более 50 МОм.

   Тем не менее, все это великолепное сочетание свойств керамических материалов практически полностью девальвируется очень малой зоной упругой деформации, или, проще говоря, хрупкостью. Этот недостаток многократно усугубляется существенным отличием коэффициентов температурного расширения конструкционных сталей и керамических материалов. Поэтому даже предлагаемые на рынке электромагнитные расходомеры, изготовленные с использованием керамических материалов, требуют деликатного отношения. Так, превышения моментных усилий при затяжке болтов на фланцах первичных преобразователей с керамическим измерительным каналом приводят к разрушению керамической детали. К таким же последствиям могут привести случайные ударные воздействия, сопровождающие операции установки и снятия первичного преобразователя с трубопровода. Поэтому конструктивные решения, использованные вышеуказанными изготовителями первичных преобразователей, нельзя отнести к жизнеспособным в существующих условиях эксплуатации трубопроводов и их составных частей. Используя этот опыт, а также анализ попыток наших предшественников в разработке и производстве первичных преобразователей с керамическим измерительным каналом, мы решили обобщить и реанимировать исследования в этом направлении. Решающую роль в принятии этого непростого решения, а также при выборе типа керамики для формирования измерительного канала расходомера сыграл колоссальный опыт производства и применения корундовой вакуум-плотной керамики ВК-94-1 Владыкинским механическим заводом, где этот тип керамики производится и используется в основном для изготовления различного рода изделий электротехнического назначения, корпусов, изоляторов, подложек и пр., в том числе по конверсионным программам, при производстве деталей для сантехнической и запорной арматуры. Благодаря совместным с коллективом этого предприятия усилиям, и особенно постоянной помощи и личному творческому участию в этой работе директора завода Калинина Михаила Витольдовича, нами было разработано и опробовано более 50 вариантов конструктивных решений первичных преобразователей с керамическим каналом.

   Высококачественная керамика ВК-94-1 имеет следующий состав:

• Al₂О3 – 94,39%
• SiО₂ – 2,77%
• MnO – 2,35%
• Cr₂О₃ – 0,49%

   Коэффициент термического линейного расширения этого материала в температурном диапазоне измеряемой теплосчетчиком среды практически равен нулю, что для нас прежде всего означает неизменность геометрии проходного канала и расстояния между электродами расходомера, это исключает появление дополнительной погрешности измерений в процессе эксплуатации. Еще важный момент, стабильность и повторяемость метрологических характеристик, кстати, последняя напрямую зависит от расположения элементов магнитной системы расходомера и электродных узлов как между собой, так и по отношению к потоку измеряемой жидкости. Сформированные в пресс-форме установочные места для электродов и индукторов позволяют обеспечить необходимую повторяемость и симметрию элементов конструкции, соответственно, высокое качество и технологичность сборки первичного преобразователя.

   Благодаря магнитной прозрачности керамики ВК-94-1 нам удалось добиться повышения величины индукции и однородности магнитного поля в зоне измерений и тем самым поднять уровень чувствительности расходомера.

   Уровень водопоглощения керамики ВК-94-1 минимален и составляет не более 0,02%, а последующая ультразвуковая очистка поверхности канала расходомера и нанесение на нее специальной глазури на основе тугоплавких оксидов с толщиной слоя 50-80мкм, делает эту поверхность зеркально-полированной, что в конечном счете полностью исключает заиливание и загрязнение проходного канала в процессе эксплуатации расходомера.

   Износостойкость керамического канала также не подлежит сомнению, механической обработке этот материал поддается исключительно только алмазным инструментом, поэтому жидкости с содержанием абразива практически любого состава и концентрации не окажут заметного отрицательного влияния на поверхность измерительного канала расходомера в течение всего срока его эксплуатации.

   Предел прочности керамической трубки при статическом изгибе составляет не менее 3000 кг/см², что создает более чем достаточный запас прочности при испытаниях до 10 МПа.

   Обладая исключительными диэлектрическими свойствами, такими как:

• Электрическая прочность (кВ/мм) при переменном токе составляет 20 кВ/мм, при постоянном токе 40 кВ/мм;
• Диэлектрическая проницаемость при частоте 10⁹ - 10¹⁰ Гц и температуре 25 ± 10˚С составляет 10,3;
• Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 10⁹ - 10¹⁰ Гц и температуре 2˚С <15•10^-4 ;
• Удельное сопротивление при температуре 100 ± 5˚С 1013 Ом,

керамическая труба, на которой смонтирована магнитная система, обеспечивает сопротивление изоляции электродных и индукторных цепей в процессе эксплуатации расходомера не менее 100 МОм.

   К прочим достоинствам керамического канала можно отнести его высокую стойкость к воздействию химически агрессивных сред.

   Если говорить о недостатках керамики ВК-94-1 применительно к нашей задаче, то это, как у всякой керамики, хрупкость и довольно значительные затраты на разработку и изготовление пресс-формы для каждого типоразмера керамической трубки. Поэтому поиск нужного конструктивного решения первичного преобразователя должен быть направлен, во-первых, на перераспределение механических нагрузок с керамики на другие узлы конструкции, во вторых, необходимо полностью исключить прямые контакты керамики с металлом и другими жесткими материалами конструкции, но, при этом, важно обеспечить герметичность уплотнительных узлов расходомера. Задача весьма сложная. Отработав различные варианты опытных образцов, нам удалось практически исключить установочные усилия на керамические элементы конструкции.

   Данные конструктивные решения нами запатентованы.

   Полнопроходные керамические расходомеры ведущих зарубежных производителей представлены на отечественном рынке с каналом различного сечения: с обычным круглым, без обужения, круглым с различной степенью обужения и с каналом прямоугольной формы, при этом преимущества каждого вида сечения теоретически обосновываются и безапелляционноно рекламируются, как самые оптимальные по отношению к другим. Широкие возможности формирования в керамике канала практически любой формы и высокая стабильность его геометрии позволяют на большом количестве образцов исследовать и обосновать достоинства и недостатки любого сечения измерительного канала.

   Наши разработки расходомера с керамическим каналом выполнены в следующих типоразмерах:

• Ду6, Ду10, Ду15, Ду25 – сечение канала круглой формы с обужением;
• Ду40 – сечение канала прямоугольной расчетной формы с электродами, вытянутыми по высоте канала;
• Ду50 – сечение канала круглой формы без обужения.

   Расходомер с керамическим каналом Ду50 прошел все виды испытаний и готовится к серийному выпуску. Необходимо сказать, что партия первичных преобразователей расхода этого типа уже в течение более полутора лет успешно работает в составе домовых теплосчетчиков на объектах ЖКХ города.

   Однако, несмотря на уже накопленный значительный объем информации об особенностях производства, калибровки и поверки расходомеров с керамическим измерительным каналом, не все наблюдаемые на некоторых опытных образцах эффекты укладываются в сложившуюся модель.

   Это еще раз подтверждает латентный характер многоуровневой сложности вроде бы простой тривиальной конструкторско-технологической задачи, предлагаемое решение которой оказывается неполным и требует новых усилий для ответа на непростые вопросы следующего уровня.

   Поэтому нами продолжаются дополнительные, весьма затратные исследования различных опытных образцов расходомеров с керамическим измерительным каналом различных вариантов конструкторско-технологических решений. В связи с этим, себестоимость первичных преобразователей с керамической проходной втулкой, несмотря на исключение дорогостоящей трубы из нержавеющей стали с фторопластовой облицовкой канала пока существенно выше себестоимости первичных преобразователей традиционного исполнения. Но, при этом, ориентировочная стоимость наших керамических расходомеров гораздо ниже стоимости импортных аналогов, а учитывая все возрастающие потребности в расходомерах для обогатительного производства, химической, фармацевтической и пищевой промышленности, а также потребности в эталонных приборах, наши усилия по развитию расходомеров этой серии не напрасны и, более того, как нам представляется, позволяют раскрыть новые возможности электромагнитной расходометрии.