5.1. Магнитные расходомеры

Класс магнитогидродинамических измерительных приборов используемых в современных технологиях, весьма широк.

В первую очередь сюда следует отнести магнитные расходомеры и измерители скорости, а также комплексные приборы, используемые для измерения плотности, химических реагентов, структуры потоков проводящих жидкостей и т.д.

Магнитогидродинамический метод измерения скорости течения жидкости был продемонстрирован М.Фарадеем уже в 1838 г. на реке Темзе. По закону электромагнитной индукции при движении любой среды в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения и не зависящая от физических свойств среды.

По величине разности потенциалов на электродах, соприкасающихся с жидкостью, можно судить о скорости течения жидкости. О скорости течения можно судить и по величине пондеромоторной силы, действующей на магнитную систему, если токи в жидкости могут замыкаться по некоторым путям.

Наконец, о скорости жидкости можно судить и по величине, поля реакции токов в жидкости, ослабляющих возбуждающее магнитное поле.

Все перечисленные эффекты используются в магнитных расходомерах и последние бывают 3–х типов:

1.  Кондукционного типа, в которых измеряется разность потенциалов.

2.  Пондеромоторного типа, основанные на измерении силы взаимодействия индуцированных в жидкости токов с возбуждающим магнитным полем.

3.  Индукционного типа, основанные на измерении магнитного поля реакции индуцированных в жидкости токов.

Основные принципиальные схемы этих типов расходомеров представлены на рис. 5.1–5.3.

Рис. 5.1

Рис. 5.2

Рис. 5.3

Расходомер кондукционного типа, изображенный на рис. 5.1, имеет канал из немагнитного материала с вмонтированными электродами. Канал расположен в зазоре магнитной системы постоянного или переменного тока. Разность потенциалов измеряется на электродах тем или иным прибором.

Схема пондеромоторного магнитного расходомера показана на рис. 5.2. Электромагнитные силы действуют на систему магнитов и она вращается при движении жидкости в канале. Скорость или расход жидкости измеряют по угловой скорости этого вращения. Этот тип расходомера весьма инерционен и не может реагировать на быстрые изменения скорости и расхода.

В индукционном магнитном расходомере (рис. 5.3) в зазоре магнита переменного тока на входе и на выходе установлены измерительные катушки, включенные встречно. При движении жидкости в канале, индуцируемые в катушках ЭДС от токов в жидкости складываются и измеряются. По величине этой суммарной ЭДС измеряются скорость и расход жидкости.

Все три типа расходомеров используются в тех или иных случаях, однако наибольшее распространение получили расходомеры кондукционного типа. Магнитные расходомеры имеют достаточно высокую точность измерения и соответствуют классам точности 0,5–0,25. Благодаря линейности характеристик и широкому диапазону измеряемых скоростей они превосходят по своим характеристикам расходомеры других типов.

Магнитные расходомеры кондукционного и индукционного типов не имеют вращающихся частей, сальников и уплотнений, т.е. являются полностью герметичными. Являясь малоинерционными эти расходомеры могут использоваться для измерения и исследования нестационарных течений. На рис. 5.4 для сравнения показаны кривые, характеризующие быстродействие расходомеров некоторых типов при внезапном изменении расхода жидкости от Q₁ до Q₂.

Рис. 5.4

К весьма ценным качествам магнитных расходомеров следует отнести и их способность измерять расходы агрессивных сред и радиоактивных жидкостей.

Поскольку магнитные расходомеры являются измерительными системами, их расчет должен быть особенно корректен и учитывать все магнито–гидродинамические аспекты.

Основным уравнением магнитного расходомера кондуктивного типа является уравнение

,                                    (5.1)

где Dj – разность потенциалов на электродах.

Уравнение (5.1) вытекает из закона Ома в дифференциальной форме (1.6), если считать. Раскрывая  выражение (5.1) приобретает форму

.                              (5.2)

Считая поле магнитное однородным  окончательно расчетное уравнение принимает вид

.                               (5.3)

Уравнение (5.3) является уравнением Пуассона, а сама задача соответствует второй краевой задаче Неймана.

Рассмотренные задачи при разных М и  позволяют определить разность потенциалов Dj по формуле

,                                    (5.4)

где а – расстояние между электродами; Y(M) – функция, принимающая значения от 1,105 до 1,0 при изменении числа М от нуля до бесконечности.

Зависимость разности потенциалов на электродах магнитного расходомера от профиля скорости, т.е. от числа М можно устранить, если применять сплошные боковые электроды, усредняющие индуцированное электрическое поле. В этом случае разность потенциалов при изоляционных верхних стенках

.                                          (5.5)

Во всех случаях на показания магнитных расходомеров могут оказывать существенное влияние краевые эффекты, обусловленные конечными размерами системы в продольном направлении, температура проводящей жидкости (особенно это относится к жидким металлам, температура которых может быть достаточно высокой), приэлектродные процессы и их поляризация и т.д. Соответствующие системы корректировки показаний позволяют свести эти эффекты к минимуму.