Sähkömagneettisen virtauksen mittausperiaate
Sähkömagneettisten virtausmittareiden toiminnan ymmärtäminen
Lyhyesti
- Sähkömagneettiset virtausmittarit mittaavat nestevirtausta Faradayn laki käyttämällä: magneettikentän johtokykyinen neste tuottaa jännitteen, joka on verrannollinen sen nopeuteen, jonka elektrodit poimivat.
- Näiden virtausmittareiden avainkomponentteja ovat ruostumattomasta teräksestä valmistettu mittaputki, eristävä verhous, magneettikentän kuparijohtokelat ja jännitteen noutavat elektrodit.
- Näiden virtausmittareiden merkittävä etu on, että paine, lämpötila ja viskositeetti ei vaikuta niihin, mikä tekee niistä luotettavia erilaisiin teollisiin sovelluksiin.
Sähkömagneettisten virtausmittareiden 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) johtokykyiseen metallitankoon, joka liikkuu nopeudella (v) magneettikentän (B) läpi, ja sen seurauksena muutaman millivoltin jännite (Ue) syntyy tangon päiden väliin. Faraday havaitsi myös, että tällä tavalla indusoidun jännitteen suuruus on suoraan verrannollinen liikkumisen nopeuteen (v) ja magneettikentän voimaan (B):
Ue = B ⋅ L ⋅ v
Ue: Indusoitu jännite
B: Magneettikentän voimakkuus
L: Sähköjohtimen pituus (vastaa elektrodien etäisyyttä mittaputkessa)
v: Johtimen liikkeen nopeus (vastaa nesteen nopeutta mittaputkessa)
Kuva 1: Sähkömagneettisen virtausmittauksen periaate.
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-johtokykyinen sisusta (esim. polyuretaani, kova kumi, PTFE, PFA-polyamidi jne.). Kun otetaan huomioon vakiolujuus (B), yhtälö Ue = B ⋅ L ⋅ v osoittaa, että indusoitu mittausjännite (Ue) on suoraan verrannollinen virtauksen nopeuteen (v). Putken poikkileikkaus (a) tunnetaan, joten tilavuusvirta (QV) on helppo laskea:
Qv: Tilavuusvirtaus
v: Virtauksen nopeus
A: Putken poikkileikkaus
Ue: Indusoitu jännite
B: Magneettikentän voimakkuus
L: Sähköjohtimen pituus
Tämän mittausperiaatteen suurin etu on, että paine, lämpötila ja viskositeetti eivät vaikuta siihen. Virtausprofiililla on minimaalinen vaikutus mittaustuloksiin. Nämä ovat ominaisuuksia, jotka tekevät sähkömagneettisista virtausmittareista erittäin houkuttelevia erittäin laajalle valikoimalle teollisuusmittaussovelluksia.
Kuva 2: Sähkömagneettisia virtausmittareita valmistetaan erilaisilla nimellishalkaisijoilla DN 2 (1/12") - DN 3000 (120").
Mekaaninen malli ja rakenne
Kuva 3: Sähkömagneettisen anturin malli ja rakenne.
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–d4):
- Mittauselektrodit (d2, d3) indusoidun jännitteen havaitsemiseen. Prosessiolosuhteet määräävät elektrodimateriaalin, joka voi olla ruostumaton teräs, Hastelloy, tantaali tai platina.
- Referenssi- tai maadoituselektrodi (d1) potentiaalin tasaukseen mittarin ja nesteen välillä. Erilliset maadoituslevyt (renkaat) voidaan asentaa samaan tarkoitukseen.
- Tyhjän putken tunnistava elektrodi (d4) osittain täytettyjen tai tyhjien mittaputkien havaitsemiseen. Lähetin laukaisee hälytyksen, jos neste lakkaa kostuttamasta tätä elektrodia.
Mangeettikentän luominen sähkömagneettisen induktion kautta
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 (Uflow):
Uflow: Indusoitu jännite
U+: Positiivinen mittausjännite
U–: Negatiivinen mittausjännite
Tällä tavoin häiriöjännitteet poistetaan laskelmasta. Elektroniikkaa muuntaa tuloksena olevan keskimääräistä virtausnopeutta vastaavan mitatun jännitteen tilavuusvirtasignaaliksi ja se tulee saataville standardisoituina lähtösignaaleina (esim. 4–20 mA virtalähtö).
Kuva 4: Signaalin prosessointi ja magneettikentän luominen pulssitetulla tasavirran syötöllä.
Usein kysyttyjä kysymyksiä sähkömagneettisista virtausmittareista
Kuva 5: Virtausmittarin asentaminen ennen käänteistä lappoa varmistaa, että mittaputki on aina täysin täynnä.
%20with%20flange%20connections%20for%20process%20applications%20-%20PP01.jpg "Picture of Electromagnetic flowmeter Proline Promag P 300 / 5P3B for process applications")
