Sähkömagneettisen virtauksen mittausperiaate

Sähkömagneettiset virtausmittarit, jotka tunnetaan myös magmetreinä tai magneettisina virtausmittareina, ovat olleet olemassa vuodesta 1939. Sveitsiläinen pappi ja keksijä isä Bonaventura Thürlemann (1909 - 1997) oli edelläkävijä tämän mittausperiaatteen teollisessa hyödyntämisessä .

Fyysinen ilmiö, johon tekniikka perustuu, on kuitenkin tunnettu paljon pidempään. Englantilainen fyysikko Michael Faraday (1791 – 1867) havaitsi, että sähkökuormitukset johdetaan pituudeltaan (L) johtavaan metallitankoon, joka liikkuu nopeudella (v) magneettikentän (B) läpi, ja sen seurauksena muutaman millivoltin jännite (U_e) jännite syntyy tangon päiden väliin. Faraday havaitsi myös, että tällä tavalla indusoidun jännitteen suuruus on suoraan verrannollinen liikkumisen nopeuteen (v) ja magneettikentän voimaan (B):

Sähkömagneettisessa virtausmittarissa (kuva 1) mittaputken sisällä virtaava johtokykyinen neste vastaa Faradayn kokeen metallitankoa. Vakion lujuuden magneettikenttä syntyy kahdella magneettikäämillä, yksi mittaputken molemmilla puolilla. Kaksi putken sisäseinän elektrodia havaitsevat syntyneen jännitteen nesteen virratessa tämän kentän läpi. Mittausputki eristetään sähköisesti nesteestä ja elektrodista, jossa on ei-johtava sisusta (esim. polyuretaani, kova kumi, PTFE, PFA-polyamidi jne.). Kun otetaan huomioon vakiolujuus (B), yhtälö U_e = B ⋅ L ⋅ v osoittaa, että indusoitu mittausjännite (U_e) on suoraan verrannollinen virtauksen nopeuteen (v). Putken poikkileikkaus (a) tunnetaan, joten tilavuusvirta (Q_V) on helppo laskea:

Tämän mittausperiaatteen suurin etu on, että paine, lämpötila ja viskositeetti ei vaikuta siihen. Virtausprofiililla on minimaalinen vaikutus mittaustuloksiin. Nämä ovat ominaisuuksia, jotka tekevät sähkömagneettisista virtausmittareista erittäin houkuttelevia erittäin laajalle valikoimalle teollisuusmittaussovelluksia.

Mittaputki (a):
Fysiikan kannalta on tärkeää, että mittaputki ei estä tai vääristä magneettikenttää, joten se on valmistettu ruostumattomasta teräksestä.

Sisäpinta (b):
Sisäpinta on välttämätön eriste elektrodien ja mittausputken välillä. Se estää johdetun jännitteen purkautumisen putkeen. Fyysinen ja kemiallinen resistanssi nesteelle ovat myös tärkeitä ominaisuuksia sisäpinnalle. Polyuretaani, kovakumi ja PFA/PTFE ovat yleisimmin käytettyjen materiaalien joukossa.

Käämijärjestelmä (c):
Magneettikenttä luodaan kahdella kuparijohtokäämillä, joiden magneettiset ytimet on asennettu mittaputken ulkopuolelle.

Elektrodit (d₁–d₃):

• Mittauselektrodit (d₁) indusoidun jännitteen havaitsemiseen. Prosessiolosuhteet määräävät elektrodimateriaalin, joka voi olla ruostumaton teräs, Hastelloy, tantaali tai platina.
• Referenssi- tai maadoituselektrodi (d₂) potentiaalin tasaukseen mittarin ja nesteen välillä. Erilliset maadoituslevyt (renkaat) voidaan asentaa samaan tarkoitukseen.
• Tyhjän putken tunnistava elektrodi (d₃) osittain täytettyjen tai tyhjien mittaputkien havaitsemiseen. Lähetin laukaisee hälytyksen, jos neste lakkaa kostuttamasta tätä elektrodia.

Pulssitetun tasavirran (DC) käyttö on hyväksi havaittu nykyaikainen tapa tuottaa magneettikenttä. Se tuottaa niin sanotun "pulssitetun tasavirtakentän". Magneettikentän napaisuus kääntyy määräajoin ja seurauksena on, että elektrodien peräkkäisillä mittausjännitteillä (U₊, U_–) on vastakkaiset merkit (katso kuva 4). Kahdesta mitatusta arvosta saatu ero vastaa indusoitua jännitettä (U_flow):

Tällä tavoin häiriöjännitteet poistetaan laskelmasta. Elektroniikkaa muuntaa tuloksena olevan keskimääräistä virtausnopeutta vastaavan mitatun jännitteen tilavuusvirtasignaaliksi ja tulee saataville standardisoituina lähtösignaaleina (esim. 4–20 mA virtalähtö).