Электромагнитный принцип измерения расхода жидких продуктов

Одним из наиболее распространенных методов измерения объемного расхода воды и пищевых продуктов на сегодняшний момент является электромагнитный принцип измерения. Он основан на явлении возникновения ЭДС в проводнике, движущемся через магнитное поле. Схематично данное явление показано на рисунке 1.

Если проводник длиной l движется со скоростью v в магнитном поле с индукцией B, то на его концах образуется наведенная ЭДС E. Ее величина определяется из формулы 1:

В свою очередь, преобразуя формулу 1, получим:

Таким образом, зная индукцию магнитного поля, длину проводника и измерив напряжение на его концах, мы получим скорость движения проводника.

Если теперь в качестве проводника принять электропроводную жидкость, можно точно вычислить ее скорость при протекании в трубопроводе при помощи электромагнитного расходомера. Его устройство кратко показано на рисунке 2.

Сам расходомер представляет собой полую, полнопроходную трубку 1 из нержавеющей стали, которая устанавливается в разрыв трубопровода. Электромагниты 6 в расходомере создают магнитное поле, линии магнитной индукции 4 которого направлены перпендикулярно движущейся в трубе жидкости. В результате, в жидкости наводится ЭДС, величину которой измеряют электроды 3. Для исключения утечки тока на корпус, вся внутренняя поверхность трубки 1 покрыта токонепроводящим вкладышем 2 (на рисунке 3 вкладыш сделан из тефлона (PTFE)).

Произведя измерения на электродах 3, электроника электромагнитного расходомера вычисляет расход, исходя из соотношения:

где d – номинальный диаметр расходомера.

Подставляя (2) в (3) и имея в виду, что в (3) длина проводника l равна номинальному диаметру d, окончательно получим:

Очевидно, что данная формула верна, если труба полностью заполнена жидкостью — в противном случае измерение не будет достоверно. Для контроля заполненности используются электроды 5 — если жидкость касается обоих электродов сверху и снизу трубки 1, то труба заполнена полностью.

Преимущества данного метода измерения в пищевой промышленности очевидны:

• полнопроходная конструкция без «мертвых» зон, что позволяет гарантированно удалить остатки продукта в процессе CIP/SIP мойки;
• расходомер никак не влияет на поток самого продукта, в отличии от расходомеров на сужающем устройстве, в которых скорость продукта может резко изменяться, что недопустимо по технологии;
• работает с густыми, вязкими средами;
• имеют высокую точность и повторяемость измерения в условиях неоднородной по плотности среды: например, для расходомеров Comac относительная погрешность измерения составляет 0,5% при повторяемости не хуже 0,2%.

Но электромагнитный принцип измерения накладывает и некоторые ограничения:

• работа возможна только с жидкостями, имеющими проводимость свыше 20 мкСм (для расходомеров Comac), то есть нельзя измерить расход таких диэлектрических сред, как дистиллированная вода, шоколад, масло, спирт;
• наличие пузырьков воздуха или твердых фракций может вносить погрешность в измерение;
• в случае образования пены, если она достаточно плотная, однородная и проводит ток, то тестирование пустой трубы может не сработать, и проходящую пену расходомер будет считать как продукт.

Измерение расхода жидких продуктов с пенообразованием

Проблема с пеной чаще всего возникает в следующей ситуации (см. рисунок 4): из емкости сливается или перекачивается продукт, на поверхности которого образуется пена из-за движения жидкости. Как правило, это происходит с молоком или пивом.

Решение подобной проблемы возможно реализовать при помощи дополнительного дискретного датчика, который устанавливался бы на трубе непосредственно перед расходомером и позволял гарантированно определить момент, когда в трубопроводе закончился продукт и движется только пена.

В качестве такого датчика идеальным решением будет электромагнитный датчик KMW-LC фирмы Klay Instruments (см. рисунок 5), разработанный для применения в пищевой промышленности:

• имеет корпус из нержавеющей стали AISI316, и излучатель из PEEK;
• работает при температуре 100 °С в постоянном режиме, выдерживает процессы CIP/SIP мойки;
• имеет специальную конструкцию излучателя, благодаря которой при монтаже датчика в приварной ниппель 10662 обеспечивается санитарное соединение без дополнительных уплотнений;
• имеет степень защиты IP67 корпуса.

Принцип работы датчика следующий: с его наконечника в емкость или трубопровод излучается электромагнитная волна, частота колебаний которой зависит от количества продукта вокруг наконечника, или свойств этого продукта. Датчик контролирует изменение частоты колебаний, и его дискретный транзисторный выход срабатывает, сигнализируя о появлении продукта. Точка срабатывания, соответствующая изменению частоты колебания электромагнитной волны на конкретном продукте, задается программно посредством специального программного обеспечения. Внешний вид интерфейса пользователя представлен на рисунке 6.

Таким образом, датчик можно настроить:

• для контроля появления пены после прохождения продукта. Причем если речь идет о пивной пене, то она может иметь разные свойства, в зависимости от сорта пива, и может потребоваться перенастройка датчика на конкретный продукт;
• для контроля густого, вязкого продукта в емкости. Датчик настраивается таким образом, что налипший продукт игнорируется, и надежно срабатывает при появлении основной массы продукта. Более подробно можно посмотреть в соответствующем видеообзоре: Настройка датчика KLAY KMW для работы с пищевыми средами.

Однако подобная схема предполагает, что дискретный сигнал от датчика KMW должен поступать на систему учета расхода. После появления сигнала, система должна переставать учитывать показания расходомера. В случае, если у персонала нет доступа к программе контроллера системы учета, реализовать данную схему становится невозможно.

Специально для этой задачи, в расходомеры Comac серии BaseFlow300 (см. рисунок 7) добавлена новая функция — остановки измерения по дискретному сигналу.

Сам расходомер имеет дисплей и кнопки конфигурации — через его меню производится изменение параметра «ВВОД», отвечающего за функцию дискретного входа: либо по сигналу на дискретном входе останавливается измерение (см. рисунок 8а), либо обнуляется значение пользовательского объема (см. рисунок 8б). Необходимо выбрать параметр «СТОП» на рисунке 8а.

Схема подключения датчика KMW-LC и расходомера BaseFlow300 представлена на рисунке 9. Также потребуется промежуточное реле 40.52.9.024.0000 с колодкой 95.05 SMA, блок питания DRC24V10W1AZ и разъем для подключения KMW-LC 120071-0044 Micro-Change.

В результате, расходомер BaseFlow300 будет принудительно останавливать подсчет продукта после сигнала датчика KMW-LC в автоматическом режиме — при этом нет необходимости иметь доступ к программе контроллера системы учета. Логику срабатывания дискретного выхода KMW-LC - НО (нормально открытый) или НЗ (нормально закрытый) можно задать через программное обеспечение.

В свою очередь, выбор места монтажа датчика KMW-LC определить очень просто: чем ближе располагается датчик к расходомеру перед ним, тем лучше. Ведь после срабатывания датчика, расходомер сразу же прекращает измерения, но часть продукта еще успевает пройти через расходомер — чем меньше этого «лишнего» продукта, тем точнее измерение. Однако слишком близко монтаж также нежелателен, поскольку у датчика есть время отклика (не более 200 мс). Например, при опустошении емкости со средней скоростью 2 литра в секунду (0,002 м3/с), при диаметре трубы d=25 мм (0,025 м) скорость движения жидкости будет:

Если время отклика датчика 0,2 с, то продукт успеет пройти 0,8 метра. Следовательно, если установить датчик на расстоянии 80 см, то погрешность измерения прошедшего объема будет сведена к минимуму. Однако датчик можно расположить и на большем расстоянии — для этого достаточно установить модуль 86.30.0.024.0000 в колодку 95.05 SMA и выставить требуемое время задержки. Контакты реле переключатся через заданное время, тем самым обеспечив правильную точность измерения прошедшего объема продукта.

Также если у клиента есть иные достоверные способы определения наличия пены, то дискретный сигнал на вход расходомера можно подавать и с помощью его собственных датчиков контроля пены или с дискретного выхода ПЛК — например, если достоверно известно, что в данном технологическом процессе в конкретный момент времени по программе будет гарантированное прохождение пены, либо если нужно производить учет только продукта и не учитывать прохождение моющих компонентов во время CIP/SIP мойки.

Вывод

Применение расходомеров BaseFlow300 с новой функцией запрета счета по дискретному сигналу от датчика контроля пены (например, KMW-LC) позволяет обслуживающему персоналу без доступа к программе системы учета обеспечить точное измерение объемного расхода пищевого продукта даже в условиях пенообразования. А сам датчик KMW-LC может также использоваться, например, для защиты продуктового насоса от сухого хода.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рывкин Е.Е.