История электромагнитного расходомера

Введение в электромагнитные расходомеры

Измерение расхода с использованием принципа электромагнитной индукции является одним из наиболее распространенных методов среди многих методов измерения расхода. Он может измерять скорость и расход проводящих жидкостей в различных формах каналов потока и является применением закона электромагнитной индукции Фарадея. Электромагнитный расходомер является широко используемым и доступным прибором.

Открытие электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции был открыт британским физиком Фарадеем в 1831 году. Закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что при пересечении проводником магнитных силовых линий в магнитном поле на обоих концах проводника будет индуцироваться индуцированная электродвижущая сила, перпендикулярная направлению магнитного поля и направлению движения проводника. Величина индуцированной электродвижущей силы пропорциональна напряженности магнитной индукции и скорости движения.

Первый эксперимент с электромагнитным расходомером

В 1832 году Фарадей разместил два металлических стержня в качестве электродов по обе стороны моста Ватерлоо через Темзу в месте, перпендикулярном направлению потока воды и в направлении геомагнитного поля. Это был первый в мире эксперимент с электромагнитным расходомером. Однако из-за электрохимических реакций, термоэлектрических эффектов и т. д. измеренный сигнал был ложным, а сигнал расхода был закорочен руслом реки. Кроме того, из-за ограничений условий измерения в то время он потерпел неудачу. К счастью, в 1851 году он увидел успех Вулсатона и других в измерении приливов в Ла-Манше с использованием метода электромагнитной индукции.

Фарадей открыл закон электромагнитной индукции

Ранние разработки электромагнитных расходомеров

В 1917 году Смит и Спирен получили патент на применение принципа электромагнитной индукции для изготовления судового спидометра и рекомендовали использовать возбуждение переменного тока для преодоления эффекта поляризации воды, тем самым открыв применение измерителей электромагнитного тока в океанографии.

Достижения и теоретические вклады

В 1930 году Уильямс заставил раствор сульфата меди течь в непроводящей круглой трубке, помещенной в постоянное магнитное поле. Постоянное напряжение между двумя электродами круглой трубки было пропорционально скорости потока. Это устройство стало простым электромагнитным расходомером. Уильямс впервые использовал математические методы для анализа влияния распределения скорости потока в круглой трубке на измерение и предложил теорию о том, что распределение скорости потока, симметричное центральной оси трубки, не влияет на точность измерения электромагнитного расходомера. Хотя его анализ был математически неверным, с тех пор была установлена основная теория электромагнитного расходомера.

Биологические применения и послевоенные достижения

Около 1932 года биологи Уильямс и А. Колин, следуя предложению Фабра, успешно использовали электромагнитные расходомеры для измерения и регистрации мгновенного артериального кровотока.

После Второй мировой войны атомная энергетика быстро развивалась, что позволило измерить постоянный магнит жидкого металла, и был разработан и применен электромагнитный расходомер. Однако из-за отсталой электронной технологии того времени область его применения не могла быть расширена до общепромышленного применения.

Промышленное внедрение и глобальное расширение

В 1950 году голландцы впервые применили электромагнитные расходомеры пульпы для измерения расхода грязи на земснарядах. Позднее электромагнитные расходомеры стали использоваться в общепромышленном производстве в США.

В 1955 году компании Hokushin Electric и Yokogawa Electric из Японии представили электромагнитные расходомеры от Fischer & Porter и Foxboro из США соответственно. После непрерывного усвоения, поглощения и усовершенствования их электромагнитные расходомеры вскоре стали передовыми в мире. Около 1955 года бывший Советский Союз, Великобритания и Германия также успешно производили электромагнитные расходомеры.

Математический анализ и технологическое развитие

В начале 1960-х годов Дж. А. Шерклифф завершил математический анализ электромагнитного расходомера с бесконечным однородным магнитным полем, разработанный А. Колиным и другими предшественниками.

Математический анализ скорости потока в однородном магнитном поле конечной длины и теория весовой функции выявили микроскопические характеристики индуцированной электродвижущей силы, что позволило создать систематическую базовую теорию электромагнитного расходомера. В то же время в условиях быстрого развития электронной промышленности и непрерывного повышения степени промышленной автоматизации электромагнитный расходомер постепенно совершенствовался и совершенствовался, превратившись в расходомер с превосходными характеристиками, который нашел широкое применение в промышленности.

С конца 1960-х до середины 1970-х годов, с углубленным изучением трехмерных весовых функций, появились электромагнитные расходомеры с взвешенным распределением магнитных полей, что значительно сократило ограниченную длину магнитного поля и в определенной степени улучшило нечувствительность измерения к скорости потока. В то же время это также способствует упрощению производства расходомеров и снижению затрат. Результаты исследований трехмерных весовых функций имеют существенное направляющее значение для разработки электромагнитных расходомеров в этот период. В связи с быстрым развитием интегральных схем в этот период и более высокими требованиями к производительности приборов измерения расхода, выдвинутыми мировым энергетическим кризисом, появилась новая технология низкочастотного возбуждения прямоугольной волной. Электромагнитные расходомеры с низкочастотным возбуждением прямоугольной волной концентрируют преимущества расходомеров с возбуждением переменного тока в подавлении поляризационных помех в сигналах постоянного магнитного поля и уменьшении компонентов сигнала помех электромагнитной индукции, содержащихся в сигналах расходомеров с переменным магнитным полем. Это повышает стабильность нуля, чувствительность и точность измерения расходомера, снижает энергопотребление, решает проблемы взаимозаменяемости и является кульминацией в развитии электромагнитных расходомеров.

Современные достижения и приложения

Начиная с 1980-х годов, быстрое развитие микроэлектроники и компьютерных технологий сделало технологию производства электромагнитных расходомеров более зрелой и совершенной, а область ее применения еще больше расширилась. Современные электромагнитные расходомеры используют технологию однокристальных микрокомпьютеров и методы цифровой обработки для постоянного повышения точности измерений и производительности электромагнитных расходомеров и могут в полной мере использовать преимущества компьютеров в хранении информации, обработке с разделением времени, возможностях расчета и управления. Поэтому относительно легко реализовать дополнительные функции, такие как двустороннее измерение, обнаружение пустой трубы, многодиапазонное автоматическое переключение, диалог человек-компьютер, связь с главным компьютером и самодиагностика. Новое поколение электромагнитных расходомеров с протоколом HART и другими полевыми шинами предоставляет пользователям условия для реализации совершенно нового контроля и управления производством полевой шины. Поэтому интегрированные, двухпроводные, взрывозащищенные, высоконапорные и способные к коммуникации электромагнитные расходомеры становятся все более популярными в автоматическом управлении промышленными производственными процессами, такими как химическая, нефтяная, сталелитейная и металлургическая промышленность.

Новые технологии и будущие направления

С расширением области применения появились различные новые приборы и системы измерения объема проводящей жидкости, использующие методы электромагнитной индукции, такие как емкостные электромагнитные расходомеры, которые могут измерять низкую проводимость,
Частично заполненные трубные электромагнитные расходомеры для измерения гравитационного дренажа, погружные электромагнитные расходомеры для измерения в открытых каналах, электромагнитные расходомеры и вставные электромагнитные расходомеры , которые могут измерять точечную скорость потока в открытых каналах и трубах большого диаметра, а также системы измерения в открытых каналах, которые состоят из метода измерения электромагнитной скорости потока-уровня воды и т. д.

Разработка электромагнитных расходомеров в Китае

Китай начал разрабатывать электромагнитные расходомеры еще в конце 1950-х годов, а Шанхайский завод по производству приборов Guanghua начал поставлять продукцию обществу в начале 1960-х годов. В 1967 году Шанхайский институт исследований промышленных приборов автоматизации, Шанхайский завод по производству приборов Guanghua, Кайфэнский завод по производству приборов автоматизации, Тяньцзиньский завод по производству приборов автоматизации № 3 и т. д. приняли участие в национальном унифицированном проектировании электромагнитных расходомеров, организованном в Шанхайском научно-исследовательском институте промышленных приборов автоматизации. Хотя времени было мало, все провели мозговой штурм и улучшили понимание электромагнитных расходомеров. Менее чем за год была спроектирована и разработана серия китайских магнитных расходомеров. Что еще более важно, этот национальный унифицированный проект электромагнитных расходомеров заложил основу для последующего развития электромагнитных расходомеров в Китае и воспитал таланты.

Прогресс и технологические достижения Китая

В середине 1970-х годов, под влиянием развитых промышленных стран, исследования теории электромагнитного расходомера в Китае также достигли своего апогея. В июне 1975 года известные физики, профессор Ван Чжуси и профессор Чжао Кайхуа из Пекинского университета были приглашены многими известными китайскими заводами по магнитным расходомерам для проведения строгого математического анализа теории весовой функции электромагнитного расходомера и чтения лекций, что привело к активному участию многих университетов, таких как Хуачжунский университет науки и технологий, Северо-Восточный университет науки и технологий и Шанхайский университет Цзяотун, в исследовании теории электромагнитного расходомера и разработке продукции моей страны с распределенным магнитным полем и взвешенным электромагнитным расходомером.

Текущее состояние и перспективы на будущее

Электромагнитный расходомер Китая является одним из высокотехнологичных продуктов, которые пошли по пути реформ раньше и успешнее, внедряя зарубежные передовые технологии и создавая совместные предприятия с зарубежными передовыми предприятиями. Это не только позволило основным предприятиям по производству электромагнитных расходомеров быстро развиваться, но и стимулировало технологический прогресс других малых и средних предприятий, производящих электромагнитные расходомеры. В настоящее время производство электромагнитных расходомеров в моей стране в основном основано на возбуждении низкочастотной прямоугольной волны и постепенно вступило в эру взвешенного магнитного поля и интеллектуальных расходомеров. Размер датчика магнитного расходомера составляет от 3 мм до 3000 мм, а точность измерения находится в диапазоне ±0,3%R или ±1%FS. Количество китайских производителей электромагнитных расходомеров выросло с 4 в начале 1980-х годов до примерно 30 в настоящее время; выпуск продукции увеличился с менее 1000 комплектов в год до почти 30 000 комплектов в год сегодня. Будь то с точки зрения уровня производственных технологий, возможностей разработки или развития рынка, разрыв между китайскими электромагнитными расходомерами и передовым мировым уровнем стремительно сокращается.

В 1980 году в Китае был разработан промышленный стандарт электромагнитных расходомеров. С развитием и прогрессом технологий он был пересмотрен в 1999 году и принят международный стандарт ISO (ISO 9104:

Были обнародованы национальные стандарты GB/T 18659-2002 [Методы оценки характеристик электромагнитных расходомеров для измерения расхода проводящих жидкостей в закрытых трубах] и GB/T 18660-2002 [Методы использования электромагнитных расходомеров для измерения расхода проводящих жидкостей в закрытых трубах]. Это позволит китайским электромагнитным расходомерам в будущем идти в ногу с международными стандартами и создаст условия для развития китайских электромагнитных расходомеров.