Jste zde

Elektromagnetické (indukční) průtokoměry

Antonín Vojáček, 11. Březen 2015 - 19:23

Elektromagnetické (indukční) průtokoměry představují již tradiční, ale stále velmi zajímavý princip měření průtoku a prošlého objemu kapalných a pastovitých materiálů a látek. Narozdíl od mnoha jiných principů průtokoměrů, tento neobsahuje žádné mechanické pohyblivé součásti a nijak neovlivňuje tok, tlak ani vlastnosti měřeného média, které pouze musí být elektricky vodivé. Popis principu funkce najdete v tomto článku...

Co jsou elektromagnetické (indukční) průtokoměry?

Jak název napovídá, jde o snímače měření průtoku, které využívají elektromagnetického pole generovaného elektromagnetem. Konkrétně jde o bezdotykové průtokoměry elektricky vodivých kapalin, které se chovají a lze je považovat za vodiče el. proudu. Výhodou těchto zajímavých průtokoměrů je fakt, že neobsahují žádné pohyblivé mechanické části, které by se mohly opotřebovat či porouchat, měření teoreticky neovlivňuje složení ani tlak, teplota či hustota kapaliny, ba dokonce ani průřez potrubí, kterým snímaná kapalina protéká. Lze tak měřit různé korozivní a chemicky agresivní látky, tekutiny obsahující různé pevné částice, dokonce i různé kašovité hmoty a pasty. Jediné, co musí měřené médium splňovat, je jeho dostatečná elektrická vodivost (alespoň 0,05 mikroS/cm) a naopak potrubí musí být elektricky nevodivý izolant. Pak teoreticky samotný akt měření čistě závisí jen na samotné rychlosti pohybu, kterému je výsledný elektrický signál přímo úměrný. Samozřejmě, jak to již v praxi bývá, jsou zde jistá omezení, ale stále je elektromagnetický princip v mnoha případech velmi výhodný.

Příklady použití

  • Potravinářský průmysl – mléko, tekutá vejce, zmrzlina, kečupy a dressingy, jogurty, rozmixované ovoce
  • Chemický průmysl – kyseliny, zásady
  • Úpravny vody – měření znečištěné vody s až 30% pevných částic
  • Energetický průmysl – obsah sádry v kouřových spalinách odsiřovacích systémů, chladící voda, měření termální energie
  • Těžební průmysl – proplachovací voda, „bláto“ obsahující rudu
  • Stavební průmysl – plastovač, beton
  • Papírenský průmysl – vysoce konzistentní papírová drť, plnící materiál apod.
  • Měření průtoku a množství surové filtrované, pitné i změkčené vody
  • Měření průtoku a množství odpadní vody, vratného a odsazeného kalu
  • Měření průtoku a množství a dávkování chemikálií (např. NaOH, H2SO4, HCl, FeCl3, FeSO4), koagulantů, stabilizátorů apod.

Obvyklé požadavky na měřenou kapalinu či směs

  • Vodivost: obvykle od cca 5 mikroS/cm (udávané nutné spodní mezní limity jsou 0.05 - 50 µS/cm)
  • Homogenita kapaliny: špatně smíchané složky mohou měnit svoji vodivost a tím způsobit nepřesnosti v měření => míchání směsí až za průtokoměrem
  • Kapaliny mohou obsahovat až 50% pevných částic až o velikosti 50 cm při rychlosti proudění do 15 m/s
  • Téměř nezávislé na hustotě a viskozitě
  • Téměř nezávislé na množství / objemu (průměru potrubí)
  • Není vhodné pro měření hydrokarbonátů (benzín, olej apod.) a plynů

Princip funkce

Celý základní princip funkce indukčního průtokoměru je založený na měření indukovaného napětí na elektrodách umístěných v kapalině kolmo na směr proudění a směru magnetického pole, kterému je kapalina vystavena. Obvykle se píše, že funkce je založena na Faradayově zákonu, který definuje velikost indukovaného napětí U ve vodiči délky L pohybující se rychlostí V v na něm kolmém magnetickém poli definované indukcí B, tedy vzorec U = B x L x V.

Pohybuje-li se vodič v magnetickém poli, generuje se v něm elektrické napětí úměrné síle mag. pole, délce vodiče a rychlosti jeho pohybu. To je tzv. Faradayův indukční zákon.

Významní odborníci na snímače a senzory (např. pan Ing. Stanislav Ďaďo) však poukazují, že názornější je vysvětlení vzniku napětí na elektrodách jako důsledku působení Lorentzova zákona, určujícího magnetické síly působící na náboj q pohybující se v magnetickém poli o indukci B rychlostí v a elektrické síly působící na tentýž náboj v elektrickém poli o intenzitě E.

Ať tak či onak, platí mezi rychlostí proudění, resp. průtokem a naměřeným napětí následující vztah U = B x V x D, kde U je generované napětí, které je snímáno na dvou elektrodách, B je magnetická indukce měřícího mag. pole, V je rychlost proudění měřeného média a D je průměr potrubí (rozteč elektrod). Znaménko "x" je tzv. vektorový součin, které lze nahradit běžným násobením (součinem), pokud jsou násobené veličiny na sebe kolmé. To tedy zde znamená, že výsledné napětí U je zároveň kolmé ke směru proudění i měřícímu magnetickému poli.

V případě indukčních (magnetických) průtokoměrů vzniká na elektrodách napětí U vlivem pohybu vodivé kapaliny či pasty potrubím rychlostí V v magnetickém poli s indukcí B.

V případě, že místo rychlosti dosadíme vztah pro přepočet na průtok, dostaneme převodní vztah, kde je generované napětí v kapalině U přímo úměrné hodnotě průtoku Qv:

, kde Qv je hodnota průtoku, B je indukce měřícího magnetického pole, D je průměr potrubí a k je násobící konstanta.

Protože v tomto případě průtokoměrů je vodič zastoupen proudící kapalinou, ta musí být elektricky vodivá. Pak již dle vztahu je v kapalině indukované napětí přímo úměrné jejímu pohybu, zde v podobě jejího proudění potrubím. Hodnotu délky D pak zde představuje vzdálenost mezi snímacími elektrodami, s jejichž pomocí se indukované napětí v kapalině měří, tedy v mnoha případech průměr potrubí v měřícím místě.

Pro porovnání obrázek obecného principu (vlevo) a praktická realizace indukčních průtokoměrů (vpravo).

Obecný popis provedení / konstrukce indukčního průtokoměru

V praxi se lze u výrobců indukčních (elektromagnetický) průtokoměrů setkat se dvěma různými provedeními, dvěma odlišnými konstrukcemi:

  • Plošné snímání (Wafer-style) – vykazuje nejvyšší přesnost měření (až s chybou i jen 0,5%). magnetické pole je vytvořeno napříč celou měřenou oblastí, tj. například přes celý průřez potrubí.

  • Bodové snímání (Insertion-style) – je levnější na výrobu a využívá se pro velké průměry potrubí. Naopak díky horšímu „rozprostření“ magnetického pole vykazuje menší přesnost měření. Magnetické pole „vyzařuje“ pouze přední část vložené sondy, čímž se nepostihuje celý průřez potrubí či kanálu a k měření průtoku využívá jen části kapaliny.

Dvě odlišné konstrukce, přičemž provedení s plošným snímáním Wafer-style (vlevo) je daleko běžnější než bodové snímání Insertion-style (vpravo).

Budicí cívka a její napájení

Prakticky se tedy dá říct, že jedním z hlavních a nejdůležitějších prvků indukčních / magnetických průtokoměrů je budicí cívka, která je umístěna diametrálně k trubici a zároveň kolmo k ose elektrod. Důležité pro přesnost měření je způsob, jakým způsobem a jakým průběhem budícího (napájecího) signálu je napájena, tedy jaké měřící magnetické pole generuje. Obvyklé je připojení cívky na signálový konvertor, který řídí napětí / proud cívkou. Z pohledu průběhu napěťového signálu prakticky připadá v úvahu buď buzení harmonickým střídavým AC napětím (dříve často síťovou frekvencí 50 Hz), které se však dnes prakticky nevyužívá, nebo pulsním (obdélníkovým) stejnosměrným DC napětím, což využívá většina současných moderních průtokoměrů. Zde se ke generování magnetického pole obdélníkového nebo lichoběžníkového průběhu používá spínaný stejnosměrný zdroj, který je spínači připojován k cívce. Důvod jeho použití je jasný. Z principu své funkce je patrné, že magnetický (indukční) průtokoměr závisí na napětí generovaném tokem vodivé kapaliny skrze magnetické pole. Musí být zajištěna integrita tohoto nízkonapěťového signálu (v řádu stovek mikrovoltů), aby byla zajištěna dostatečná přesnost měření i v průmyslovém prostředí. Výhody buzení stejnosměrnými DC pulsy proti střídavému AC napětí jsou následující:

  • Odolnost proti zarušení parazitní síťovou frekvencí 50 Hz (externí rušení síťovou frekvencí skrze potrubí a měřenou tekutinu od různých bludných a zkratových proudů, o napájení čerpadel a jiných pohonů apod. )
  • Odolnost proti potenciálovým rozdílům a vnitřní interferencí mezi cívkou a signálovými obvody generujícími interferenční napětí se síťovou frekvencí v měřené kapalině a na elektrodách průtokoměru.
  • Nemusí se provádět seřízení nuly střídavého pole (střed střídavého signálu) bez proudící kapaliny
  • Jen malý vliv provedení a umístění snímacích elektrod
  • Snadno odstranitelné rušení vzniklé chemickými procesy v kapalině a v potrubí, elektrochemickými, elektrostatickými a popř. i termoelektrickými jevy na elektrodách (elektrochemické napětí, polarizace elektrod, styk dvou vodičů z různých materiálů) a kontaktními potenciály

Mimo to je tu ještě jeden jev, který se málo zmiňuje, ale který znesnadňuje konstrukci a provedení vyhodnocovacích obvodů napojených na snímací elektrody. Tím je vznik více napěťových složek s fázovým rozdílem. Jde o to, že výsledkem použití střídavého signálu pro vybuzení magnetického pole cívky je, že též směr magnetického pole je také střídavý (např. ve frekvenci síťové frekvence 50 Hz). Vodivá kapalina s elektrodami se chová jako vodič s jedním závitem a generuje tak na snímacích elektrodách nejen na toku závislé napětí, které je ve fázi s měnícím se magnetickým polem, ale taktéž na toku nezávislé nežádoucí napětí stejné frekvence o 90° fázově posunuté proti žádoucímu signálu. Jde v podstatě o přenos napětí vzájemnou indukčností mezi budicími cívkami a vstupní smyčkou (obdobně jako u vinutí transformátoru). Navíc je tato složka ještě podporována vířivými proudy v kapalině o velikosti dané Faradayovým zákonem.

  

Přehled signálů typického magnetického průtokoměru Krohne a Omega (shora: průběh generovaného mag. pole při napájení cívky napěťovými DC pulsy, signál na snímacích elektrodách, vyhodnocený a navzorkovaný průběh výstupního signálu).

Pro minimalizaci této tzv. kvadraturní složky musí být snímací elektrody umístěny přesně kolmo na indukci magnetického pole (přesná realizace vektorového součinu BxDxv), což je náročné na výrobu. V případě AC napětím napájených průtokoměrů je tak tato kvadraturní složka dost velká a je ji nutné složitě elektronicky odstraňovat. Naopak pulsně napájené průtokoměry nejsou na fázový posuv citlivé a tato kvadraturní složka se odstraňovat nemusí.

Proto se již v poslední době nevyužívají indukční / magnetické průtokoměry jejichž cívka generující měřící magnetické pole by byla napájená střídavým napětím. Již se využívá jen napájení pulsním, resp. obdélníkovým průběhem napětí, kde se střídavé rušení na násobcích síťové frekvence se dá snadno odstranit filtry a číslicové zpracování signálů na DSP umožňuje prakticky oddělit veškeré rušení od signálového průběhu. Díky tomu jsou takové indukční průtokoměry prakticky bezúdržbové a i levnější. Jednou z jejich mála nevýhod střídavým harmonickým napětím napájených průtokoměrů je trošku pomalejší reakce.

Vyhodnocení signálu z elektrod

Ze snímacích elektrod se odebírá na hodnotě průtoku závislý napěťový signál v řádu desetin až jednotek mV, který se převádí na tzv. signálový konvertor, který jej primárně převádí na standardní elektrický signál snadno dále vyhodnotitelný dle potřeb uživatele. Signálový konvertor obvykle provádí:

  • Zesílení signálu zesilovačem s velmi vysokým vstupním odporem, aby na měření neměl vliv odpor snímacích elektrod.

  • Převod analogového napěťového signálu na digitální

  • Digitální filtraci a eliminaci superponovaných rušivých napětí, které mohou být i větší než průtokem generovaný signál. To se provádí v DSP procesoru.

  • Úprava signálu podle zadaných provozních parametrů (měřící rozsah, rozsah mA výstupu apod.)

  • Převod digitálního signálu na standardní výstupní procesní signály, jakými je proudová smyčka 4-20 mA, vzdálenost pulsů nebo jiné digitální výstupy a rozhraní (HART, RS 485, Profibus atd.) pro nadřazené systémy.

  • Indikaci průtoku a prošlého množství / objemu na displeji

  • V případě EMF s obdélníkově generovaném mag. poli má signálový konvertor rovněž funkci přesného řízení napájení a vytváří zpětnou řídící vazbu pro regulaci budícího signálu / proudu cívky generující měřící magnetické pole.

 

Blokové příklady realizace magnetických (indukčních průtokoměrů) s různými výstupy (vlevo oddělené napájení a výstup; vpravo je režim společného napájecího vstupu a výstupu).

Napájení / připojení indukčních průtokoměrů

V současné době je obvyklé buď klasické vícevodičové připojení s oddělenými vodiči pro napájení snímače a pro vyvedení signálu nebo dvouvodičové provedení, kde se stejnými vodiči provádí napájení i vyvedení výstupu. Omezení dvouvodičového provedení, které se nejčastěji aplikuje v případě výstupu typu proudová smyčka 4-20 mA, spočívá v silně omezeném příkonu snímače na max. několika stovek mW při běžném napájení do 24 VDC. To je dáno právě velikostí signálového proudu ve vodičích. Pokud je výstup pulsní, pak může být příkon snímače o něco vyšší. Malý příkon však má negativní vliv na kvalitu měření, protože cívka generuje slabší magnetické pole, tím je výsledný napěťový signál menší a více náchylný na zarušení. To dříve omezovalo měření na kapaliny s vodivosti 50 µS/cm a vyšší. Dnes sice se tento problém řeší velmi propracovaným digitálním zpracováním a vyhodnocením vzniklého signálu, takže i dvouvodičové snímače mohou být velmi přesné. Díky tomu se spodní limit minimální vodivosti měřené kapaliny dostal až na hranici 5 µS/cm.

Naopak při odděleném napájení a výstupu snímače může mít snímač větší příkon (někdy až 20 W) a tedy silnější měřící magnetické pole a tedy i odolnější funkci a možnosti měření méně vodivé kapaliny. U některých senzorů lze měřit i kapalinu s vodivostí až do 0,5 µS/cm nebo u některých speciálních provedení až na 0,05 µS/cm.

Závěr

Princip elektromagnetických nebo také indukčních průtokoměrů je již znám mnoho desítek let a také se již stejně dlouhou dobu využívá. Nejde tedy o žádnou současnou novinku. Nejnovější průtokoměry pak pouze implementovaly digitální technologie s možností digitální datové komunikace, ovládání pomocí displeje a tlačítek, aplikovaly se různé automatické ladící a testovací režimy, sinusové harmonické buzení nahradilo impulsní a využívá se nových materiálů. Zajímavé na tomto principu je to, že stále se pořádně neví jak to fyzikálně funguje, přesněji řečeno, jakým mechanismem se k výslednému vzorci dojde (Faradayův vs. Lorentzův zákon). Hlavní je, že vztah prostě platí a díky tomu zajímavé elektromagnetické průtokoměry bez problémů pracují.

Odkazy:

Hodnocení článku: 

Komentáře

Peter (neověřeno) - 5. Duben 2015 - 21:27

Tento článok bol pre mňa užitočný a privítal by som viac takýchto článkov. Napríklad na tému Ph sondy, tlakomery, meranie teploty alebo aj princím fungovania rôznych typov ventilov a podobne.