БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР
ELECTRODELESS ELECTROMAGNETIC FLOWMETER

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике измерения расхода жидкого металла с помощью безэлектродных электромагнитных расходомеров.
Известно несколько конструкций безэлектродных электромагнитных расходомеров, принцип действия которых основан на измерении вторичного магнитного поля, возникающего в потоке жидкого металла, протекающего по трубопроводу в магнитном поле [1]. Большинство конструкций расходомеров имеют следующие основные элементы: трубу, выполненную из немагнитной стали, индукционную катушку возбуждения переменного магнитного поля в канале трубы, измерительную индукционную катушку, воспринимающую вторичное магнитное поле, образованное в результате движения жидкого металла по трубе, и магнитопровода, предназначенного для формирования магнитного поля.
Недостатком известных расходомеров является необходимость выполнять все элементы конструкции прибора и его сборку с прецизионной точностью. В этом случае измерительные индукционные катушки воспринимают только вторичное магнитное поле, т.е. поле, несущее информацию о скорости движения жидкого металла, и нечувствительны к магнитному полю возбуждения, сигнал от которого рассматривается как паразитный.
Известен безэлектродный электромагнитный расходомер, конструкция которого имеет трубу, выполненную из немагнитной стали, три индукционные катушки и цилиндрический магнитопровод [2]. Все катушки нанизаны на трубу, причем к средней катушке, предназначенной для возбуждения магнитного поля в канале трубы, подводится переменный ток низкой частоты, а две одинаковые крайние катушки, измерительные, служат для измерения вторичного магнитного поля, пропорционального скорости жидкого металла, протекающего по трубе. К измерительным катушкам подключено измерительное устройство, а сами измерительные катушки между собой включены последовательно и навстречу друг другу. Этот расходомер является наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения.
Недостатком расходомера [2] является сложность изготовления с необходимой точностью.
Целью изобретения является создание безэлектродного электромагнитного расходомера менее сложной конструкции.
Эта цель достигается тем, что индукционные катушки выполнены в виде плоских многослойных печатных плат. Магнитопровод представляет собой плоскую пластину. Катушки и магнитопровод расположены на внешней поверхности трубы, образуя три параллельных слоя. Первый слой, расположенный непосредственно на трубе, занимают две катушки, торцами плат соприкасающиеся друг с другом по линии центрального периметра трубы, а второй и третий слои образуют, соответственно, третья катушка и магнитопровод, расположенные симметрично относительно центрального периметра трубы. Поскольку индукционные катушки выполняются в виде плоских многослойных печатных плат, они могут изготовляться автоматизированным способом с прецизионной точностью и могут многократно тиражироваться с низкой стоимостью.
Сущность изобретения поясняется с помощью фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 схематически изображен предлагаемый расходомер. Он состоит из трубы 1, выполненной из немагнитной стали, на внешней поверхности трубы 1 расположены три индукционные катушки 2, 3 и 4, выполненные в виде плоских печатных плат, и магнитопровод 5. Катушки и магнитопровод расположены послойно, две индукционные катушки 2 и 3 образуют первый слой, непосредственно примыкающий к внешней поверхности трубы, причем катушка 2 и катушка 3 смыкаются торцами плат друг с другом по линии центрального периметра 6 трубы.
Возможен другой вариант размещения индукционных катушек на трубе 1. Катушка 4 образует первый слой, а катушки 2 и 3 второй слой.
Возможен еще один вариант размещения индукционных катушек на трубе 1, при котором все три катушки конструктивно выполнены в виде одной общей многослойной платы, внутри которой индукционные катушки размещены по любому из рассмотренных выше вариантов.
По работоспособности рассматриваемые варианты размещения катушек равноценны.
Магнитопровод выполняется в виде пластины толщиной не менее 5 мм из ферромагнитного материала и предназначен для усиления рабочего поля возбуждения и для устранения полей рассеяния на периферии от прибора.
На фиг.2 приведена схема подключения индукционных катушек к источнику переменного тока и к измерительному устройству. Индукционные катушки 2 и 3, соединены между собой последовательно и навстречу друг другу, т.к. намотка витков обоих катушек выполнена в одинаковом направлении. Индукционная катушка 4 подключена к источнику переменного тока 1, а индукционные катушки 2 и 3 подключены к измерительному устройству 5. Магнитопровод 6 индуктивно связывает между собой все индукционные катушки.
Возможен другой вариант схемы соединений: индукционные катушки 2 и 3 подключены к источнику переменного тока 1, а индукционная катушка 4 подключена к измерительному устройству 5.
По работоспособности оба варианта схем соединения индукционных катушек к источнику переменного тока и измерительному устройству равноценны.
Работу расходомера поясняет фиг.3. На фиг.3 изображена труба расходомера в разрезе по плоскости, проходящей через ось канала параллельно плоскостям плат индукционных катушек. В рассматриваемый момент времени направление магнитного поля, возникающего в канале трубы и созданного источником тока, обозначено крестиками и точками. Крестик характеризует направление силовой линии магнитного поля, проникающей внутрь рисунка, а точка характеризует направление силовой линии магнитного поля выходящей из рисунка.
При движении жидкого металла происходит его взаимодействие с магнитным полем. В жидком металле возникает электрическое поле, пропорциональное скорости металла и напряженности магнитного поля, причем электрическое поле ортогонально как направлению движения жидкого металла, так и силовым линиям магнитного поля. Благодаря электрическому полю возникают контуры циркуляционных токов в плоскостях в жидком металле, параллельных плоскостям витков индукционных катушек.
Циркуляционные токи образуют вторичное магнитное поле в канале, напряженность которого пропорциональна измеряемой скорости потока жидкого металла.
Контуры циркуляционных токов на рис.3 обозначены стрелками. За счет потокосцепления с вторичным магнитным полем, образованным циркуляционными токами, в индукционных катушках 2 и 3 наводится электродвижущая сила (ЭДС). Величина ЭДС пропорциональна скорости потока жидкого металла и магнитному полю, возбуждаемому источником тока.
В индукционных катушках 2 и 3 возникают ЭДС противоположной полярности, поскольку контуры токов и образованные ими вторичные магнитные поля в жидком металле имеют противоположные направления. Благодаря тому, что индукционные катушки 2 и 3 подключены к измерительному устройству последовательно и навстречу друг другу, их ЭДС суммируются. Каждая из индукционных катушек 2 и 3 воспринимает и магнитное поле, возбуждаемое катушкой 4. Благодаря строгой симметрии расположения катушек, обеспечиваемой технологией изготовления печатных плат, практически полностью взаимно компенсируются паразитные сигналы, возникающие в катушках 2 и 3 от магнитного поля возбуждения, создаваемого катушкой 4.
Таким образом, использование предложенного решения позволяет упростить изготовление расходомера за счет применения конструкций индукционных катушек в виде многослойных печатных плат и повысить точность измерения расхода.
Источники информации
1. Циркунов В.Э., Жеймур Б.Д., Сермонс Г.Я. и др. «Бесконтактный контроль потока жидких металлов». Рига: Зинатне, 1973, 252 с.
05
2. «Индукционный расходомер», авторское свидетельство СССР, №104745, класс 42е, 23.