עקרון העבודה של מד הזרימה האלקטרומגנטי: מדריך מקיף

מד הזרימה האלקטרומגנטי , המכונה לעתים קרובות EMF או מגמטר, הוא מכשיר בעל ביצועים גבוהים שנועד למדוד את קצב הזרימה הנפחי של נוזלים מוליכים. הוא פועל על סמך חוק פאראדיי של אינדוקציה אלקטרומגנטית, עיקרון יסוד בפיזיקה.

הודות לעיצובו הייחודי ללא חלקים נעים, ה-EMF מציע יתרונות משמעותיים, כולל אובדן לחץ מינימלי ויכולת למדוד במדויק נוזלים מאתגרים. זוהי הבחירה האידיאלית עבור נוזלים ותרחיפים מלוכלכים, קורוזיביים או שוחקים. כתוצאה מכך, הוא זוכה לאמון נרחב בתעשיות כגון עיבוד כימי, מטלורגיה, כרייה, עיסת נייר ומזון ומשקאות. הוא גם ממלא תפקיד חיוני בניטור חלוקת מים עירונית וטיפול בשפכים.

העיקרון המרכזי: חוק פאראדיי בפעולה

חוק פאראדיי קובע שכאשר מוליך חשמלי נע דרך שדה מגנטי, מושרה מתח (כוח אלקטרו-מניע או EMF) על פני המוליך. גודל המתח הזה הוא ביחס ישר למהירות המוליך, לאורך המוליך ולעוצמת השדה המגנטי.

מד זרימה אלקטרומגנטי מיישם עיקרון זה על ידי התייחסות לנוזל המוליך כמוליך. כך זה עובד:

יצירת שדה מגנטי: גוף המונה, המכונה צינור המדידה, מצויד בסלילים המייצרים שדה מגנטי מבוקר בניצב לכיוון הזרימה.
הנוזל כמוליך: כאשר הנוזל המוליך זורם דרך שדה מגנטי זה, הוא למעשה "חותך" את קווי השטף המגנטי.
גרימת מתח: פעולה זו גורמת למתח שהוא ביחס ישר למהירות הממוצעת של הנוזל הזורם.
מדידת המתח: שתי אלקטרודות, המותקנות משני צידי דופן הצינור, מזהות את המתח המושרה. לאחר מכן, משדר מעבד את אות המתח הזה כדי לחשב את קצב הזרימה הנפחי.
הקשר מתואר על ידי הנוסחה:

U = B * D * v

אֵיפֹה:

U = מתח מושרה (פוטנציאל בין אלקטרודות)
B = עוצמת שדה מגנטי (צפיפות השטף המגנטי)
D = קוטר פנימי של צינור המדידה
v = מהירות זרימה ממוצעת של הנוזל
מכאן ניתן לחשב את קצב הזרימה הנפחי (Q). חשוב לציין שעקרון זה מסתמך על שדה מגנטי אחיד, נוזל מוליך ולא מגנטי, ופרופיל זרימה צירי-סימטרי.

שיקולים מעשיים: השדה המגנטי באורך סופי

ביישום בעולם האמיתי, השדה המגנטי אינו יכול להתפשט עד אינסוף. הוא החזק ביותר ליד האלקטרודות ונחלש בקצוות. וריאציה זו יכולה ליצור עיוותים המכונים זרמי מערבולת, אשר יכולים להשפיע על דיוק המדידה - תופעה הנקראת אפקט הקצה.

כדי לפצות על כך, מוחל מקדם תיקון (K), במיוחד בצינורות שבהם היחס בין אורך השדה המגנטי לקוטר הצינור קטן. עבור רוב העיצובים המודרניים החווים זרימה טורבולנטית, אפקט הקצה זניח אם יחס זה הוא 2.5 או יותר.

שיטות עירור: הפעלת השדה המגנטי

מערכת העירור היא לב ליבו של המונה, שכן היא מייצרת את השדה המגנטי. השיטה בה נעשה שימוש מכתיבה את עיבוד האותות ומשפיעה באופן משמעותי על ביצועי המונה. ישנן שלוש שיטות עיקריות:

1. עירור DC

שיטה זו משתמשת במגנטים קבועים או בספק כוח DC כדי ליצור שדה מגנטי קבוע. בעוד שהיא פשוטה ועמידה בפני הפרעות AC, עירור DC יכול לגרום לאלקטרוליזה ולקיטוב אלקטרודות בנוזלים מוליכים. זה משבש את המדידה וגורם לשגיאות. לכן, עירור DC שמור בדרך כלל למדידת נוזלים שאינם אלקטרוליטיים כמו מתכות נוזליות (למשל, נתרן או כספית).

2. עירור AC

שימוש באספקת זרם חילופין בתדר מתח (למשל, 50 הרץ) יוצר שדה מגנטי סינוסואידלי. שיטה זו נמנעת מבעיות הקיטוב של עירור זרם ישר, אך מציגה אתגרים משלה:

הפרעה ריבועית: השדה המגנטי המתחלף יכול לגרום למתח "אפקט שנאי" לא רצוי במעגל האלקטרודה, שיכול להיות גדול בהרבה מאות הזרימה בפועל.
הפרעות בפאזה (מצב משותף): אותות רעש בעלי אותה פאזה כמו אות הזרימה יכולים להופיע על שתי האלקטרודות, לרוב נגרמים על ידי זרמים תועים או אינדוקציה אלקטרוסטטית.
חוסר יציבות: תנודות במתח או בתדר של ספק הכוח AC עלולות לשנות את עוצמת השדה המגנטי, מה שמוביל לאי דיוקים במדידה.

3. עירור גל מרובע בתדר נמוך

זוהי השיטה המתקדמת והנפוצה ביותר כיום. היא משלבת את היתרונות של גישות זרם ישר (DC) וזרם חילופין (AC). באמצעות שימוש בגל מרובע בתדר נמוך (למשל, 3-30 הרץ), היא:

מבטל קיטוב על ידי היפוך מתמיד של השדה.
מונע הפרעות ריבועיות על ידי מדידת אות הזרימה במהלך התקופות היציבות של הגל המרובע.
מדכא זרמי מערבולת, מה שמוביל ליציבות נקודת אפס מעולה ודיוק גבוה.
התקדמויות מודרניות ממשיכות לשכלל טכניקה זו עם חידושים כמו עירור גל מרובע תלת-מצבי ותדר כפול, מה שמשפר עוד יותר את הביצועים והאמינות של מדי זרימה אלקטרומגנטיים.