Корреляционный способ определения расхода жидкого металла и безэлектродный электромагнитный расходомер жидкого металла "ПИР" (Пермский индукционный расходомер) для его осуществления
CORRELATION METHOD FOR DETERMINING THE FLOW RATE OF LIQUID METAL AND ELECTRODELESS ELECTROMAGNETIC FLOWMETER OF LIQUID METAL "PIF" (PERM INDUCTION FLOWMETER) FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к приборостроению, в частности, к области измерения расхода электромагнитным методом, и может быть использовано для измерения расхода жидких металлов, в том числе, в ядерных энергетических установках.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому способу, выбранным за прототип, является корреляционный способ определения расхода жидкого металла (см. патент на изобретение СССР №1620848, опубл. 15.01.91), заключающийся в регистрации флуктуаций магнитного поля в двух измерительных сечениях, расположенных на известном расстоянии друг от друга, и измерении времени пролета флуктуациями этих измерительных сечений, по которому судят о расходе жидкого металла, при этом, проводят регистрацию флуктуаций магнитного поля термических токов при помощи индукционных катушек.
В реальных устройствах с трубопроводами всегда имеются электромагнитные наводки от работающих электромагнитных насосов, которые значительно зашумляют полезный сигнал. Для надежной работы данного способа необходимо хорошее отношение сигнал/шум, что требует наличия в потоке контрольной жидкости флуктуаций температуры с амплитудой, достаточной для наведения значительных термических токов, и последующей регистрации их магнитного поля индукционными катушками. Это, в свою очередь, требует наличия на участке трубопровода до расходомерного устройства, использующего данный способ, сильных градиентов температуры (например, тройники, в которых смешиваются разнотемпературные потоки, участки охлаждения труб и т.п.), что далеко не всегда может быть выполнено.
Также использование данного способа подразумевает допущение о том, что температурные возмущения распространяются со скоростью потока. Данное допущение работает только в некотором диапазоне расхода (см. статью Application of the temperature correlation method to measuring the flow rate of liquid sodium в журнале Магнитная гидродинамика, том 54, номер 4, страницы 547-557 за авторством Колесниченко И.В., Мамыкина А.Д, Голбрайха Е. и Павлинова A.M., 2021 год). А для расширения этого диапазона необходима дополнительная калибровка расходомерного устройства, использующего данный способ, а также выбор правильного расположения регистрирующих катушек относительно источника температурных флуктуаций.
Таким образом, недостатками данного способа являются:
1. Ограничение работоспособности и надежности способа требованием наличия в потоке контрольной жидкости флуктуаций температуры достаточной амплитуды, а, следовательно, и наличия источников этих температурных флуктуаций (тройников, в которых смешиваются разнотемпературные потоки, участков охлаждения труб и т.п.)
2. Косвенность определения расхода жидкости из-за того, что расход определяется по переносу флуктуаций поля температуры, а не скорости
3. Ограничение диапазонов расхода контрольной жидкости и диаметров трубопровода
Целями предлагаемого изобретения являются:
1. Отсутствие особых требований к потоку контрольной жидкости (например, неизотермичность).
2. Повышение достоверности способа за счет того, что проводятся прямые, а не косвенные измерения поля скорости.
3. Расширение диапазонов расхода контрольной жидкости и диаметров трубопровода.
Для достижения этих целей предлагается корреляционный способ определения расхода жидкого металла, заключающийся в регистрации флуктуаций магнитного поля в двух измерительных сечениях, расположенных на известном расстоянии друг от друга, и измерении времени пролета флуктуациями этих измерительных сечений, по которому судят о расходе жидкого металла, при этом, при помощи индукторов переменного вращающегося поля, включенных сонаправленно либо противоположно направленно в непрерывном либо импульсном режиме, генерируют возмущения поля скорости в плоскости, ортогональной направлению основного потока, и при помощи индукторов постоянного магнитного поля, дополненными измерительными катушками, регистрируют флуктуации магнитного поля, вызванные этими возмущениями.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что при помощи индукторов переменного вращающегося поля, включенных сонаправленно либо противоположно направленно в непрерывном, либо импульсном режиме, генерируют возмущения поля скорости в плоскости, ортогональной направлению основного потока, и при помощи индукторов постоянного магнитного поля, дополненными измерительными катушками, регистрируют флуктуации магнитного поля, вызванные этими возмущениями.
Направление вращения магнитного поля в генерирующих индукторах выбираются совпадающими либо противоположными с целью расширения диапазона измеряемых расходов и повышения точности на малых расходах. Включенные разнонаправленно вращающиеся магнитные поля создают мелкомасштабные флуктуации скорости небольшой интенсивности, преимущественно в плоскости сечения трубы - при малых расходах они будут надежно зафиксированы регистрирующими индукторами, однако, при больших расходах такие мелкомасштабные слабые пульсации скорости будут быстро сглажены основным потоком. В случае больших расходов следует включить вращающиеся магнитные поля сонаправленно, тем самым расширив область воздействия, повысив степень закрутки потока и создав флуктуации скорости большой амплитуды, которые будут надежно зафиксированы регистрирующими индукторами.
Известен электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение СССР №166514, опубл. 19.11.1964), содержащий прямоугольный трубопровод и две прямоугольные индукционные катушки.
Расходомер работает следующим образом. Генератор импульсов питает генерирующую катушку, расположенную над каналом таким образом, что ось катушки лежит в плоскости сечения канала, импульсами определенной формы. Это вызывает появление наведенных токов в контролируемой электропроводной жидкости, которые увлекаются ей со скоростью, равной скорости контролируемого потока. За счет затухания и движения токов в измерительной катушке, расположенной ниже по потоку таким образом, что ее ось перпендикулярна плоскости сечения канала, наводится ЭДС. Момент перехода ЭДС от первого положительного значения к отрицательному является мерой расхода электропроводящей жидкости.
Недостатками указанного расходомера являются малый диапазон измеряемого расхода при фиксированном расстоянии между катушками, а также прямоугольная форма канала - наибольшее распространение, например, в атомной промышленности получили трубы круглого сечения.
Известен вихревой электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ №2090844, опубл. 20.09.1997), содержащий трубопровод из немагнитного материала с телом обтекания в виде вихреобразующего стержня, ось которого перпендикулярна к оси трубопровода, размещенный на наружной поверхности трубопровода двухполюсный магнит и чувствительный элемент в виде индукционной катушки, подключенной к блоку обработки сигнала.
Вихревой расходомер работает следующим образом. Генерируемые телом обтекания вихри, сходящие поочередно с одной и другой стороны стержня, образуют двойную вихревую дорожку Кармана с вектором завихренности, параллельным продольной оси тела обтекания. При прохождении вихря в области приложения магнитного поля, направленного преимущественно вдоль оси трубопровода, в области вихря возникает замкнутый электрический ток и, соответственно, вторичное магнитное поле, вектор индукции которого направлен по оси индукционной катушки. В результате в катушке индуцируется импульсный ток, частота которого пропорциональна частоте следования вихрей и, соответственно, расходу жидкости. Сигнал с индукционной катушки поступает в блок обработки, где по измеряемому значению частоты определяют скорость потока и расход, а по суммарному количеству периодов частоты за фиксированный промежуток времени определяют количество протекшей жидкости.
Недостатком данного расходомера является необходимость во внедрении внутрь трубопровода тела обтекания, что является нежелательным, а в случае измерения расхода жидкометаллического теплоносителя в ядерных энергетических установках и недопустимым.
Известен времяпролетный электромагнитный расходомер электропроводных жидкостей (см. патент на изобретение СССР №1340296, опубл. 07.02.90), содержащий в двух измерительных участках источники приложенного к трубопроводу магнитного поля с парой электродов в каждом участке и устройство измерения временного сдвига между сигналами.
Расходомер работает следующим образом. При прохождении через магнитное поле датчиков вихревых неоднородностей продольного типа, ось вращения которых сонаправлена с продольной осью трубопровода, под полюсами магнитов индуцируются электродвижущие силы, направленные вдоль оси трубопровода. Падение напряжения на участке между электродами является полезным сигналом. Время запаздывания между сигналами первого и второго датчиков определяется с помощью устройства измерения временного сдвига между сигналами. Устройство может работать также и в меточном режиме, когда с помощью специального завихрителя создаются короткие дискретные метки потока. С одной стороны описанное устройство достаточно универсально, с другой, требует наличие электродов, несмотря на свою индукционную природу. В случае неизотермического потока в этих электродах будут генерироваться термические токи, создавая помехи и влияя на точность и чувствительность прибора. Со временем электрический контакт будет ухудшаться вследствие накопления окислов на внутренней поверхности трубы, что также будет уменьшать точность и чувствительность прибора, а, значит, будет требоваться периодическая калибровка. Также наличие электродов подразумевает неразъемность устройства и трубы, что делает невозможным монтаж расходомера на трубу в составе промышленного контура. Кроме того, устройство в данной конфигурации не сможет работать на трубах с большим диаметром из-за сложности масштабирования его магнитной системы.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому устройству, выбранным за прототип, является безэлектродный электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ 2520165, опубл. 20.04.2014), состоящий из трубы, трех индукционных катушек и магнитопровода, у которого индукционные катушки выполнены в виде плоских многослойных печатных плат, магнитопровод представляет собой плоскую пластину, причем катушки и магнитопровод расположены на внешней поверхности трубы, образуя три параллельных слоя, из которых 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.
Расходомер работает следующим образом. 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. Недостатками вышеуказанного устройства являются:
1. Неразъемность устройства и трубы, что делает невозможным монтаж расходомера на трубу в составе промышленного контура.
2. Ограниченный диапазон температуры измеряемой среды. В силу того, что устройство располагается непосредственно на поверхности трубы между ним, трубой и измеряемой средой неизбежен тепловой контакт. Печатные платы в зависимости от выбранного материала и способа пайки имеют ограничения по температуре эксплуатации от 120 до 170 градусов Цельсия. При измерении расхода жидких металлов возникает необходимость работы на температурах жидкой среды до 450 градусов Цельсия, что исключает возможность применения расходомерного устройства данного (накладного) типа.
3. Ограниченный диапазон диаметров труб. Устройство в силу специфики своей конструкции измеряет скорость течения среды в пристеночной области, в которую достаточно проникает магнитное поле генерирующей катушки. Поэтому, во-первых, устройство требует калибровки из-за необходимости учитывать форму профиля течения, а, во-вторых, не может использоваться для измерения расхода в трубах больших диаметров с требуемой точностью по тем же причинам.
4. Необходимость в калибровке устройства.
Целями предлагаемого изобретения являются
1. Возможность установки на трубопровод в составе промышленного контура (разъемность).
2. Расширение диапазонов допустимой температуры измеряемой среды и допустимого диаметра трубы.
3. Избавление от необходимости в калибровке.
Для достижения этих целей предлагается безэлектродный электромагнитный расходомер, состоящий из индукционных катушек и магнитопровода, содержащий четыре индуктора, каждый из которых представляет из себя наборный шестисекционный магнитопровод, каждая секция которого имеет стержень прямоугольного сечения, направленный к геометрическому центру магнитопровода, с надетой на него индукционной катушкой, два индуктора из четырех дополнены измерительными катушками, надетыми на стержень и подключенными к устройству измерения, при этом все индукторы крепятся на раму, состоящую из шпилек и трехсекционных щечек.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что оно содержит четыре индуктора, каждый из которых представляет из себя наборный шестисекционный магнитопровод, каждая секция которого имеет стержень прямоугольного сечения, направленный к геометрическому центру магнитопровода, с надетой на него индукционной катушкой, два индуктора из четырех дополнены измерительными катушками, надетыми на стержень и подключенными к устройству измерения, при этом все индукторы крепятся на раму, состоящую из шпилек и трехсекционных щечек.
Предлагаемые корреляционный способ определения расхода жидкого металла и безэлектродный электромагнитный расходомер жидкого металла для его осуществления поясняются фиг. 1, фиг. 2, где приведена схема конструкции электромагнитного расходомера жидкого металла в разрезе и фиг. 3, где показано фото устройства (без трубы).
На схеме показана труба 1, на которую надевается расходомер, состоящий из четырех индукторов, каждый из которых состоит из магнитопровода 2 и индукционных катушек 3, надетых на стержни магнитопровода 2.
Магнитопровод 2 собирается из шести одинаковых секций и является наборным.
Два индуктора из четырех составляют индукционный генератор завихренностей вращающегося поля (генерирующий модуль).
Два остальных индуктора дополнены измерительными катушками 4 и образуют регистрирующий модуль. Этот модуль подключен к устройству измерения (на фиг. не показано).
Регистрирующие модули разнесены на расстояние большее, чем расстояние между генерирующими модулями. Это расстояние подбирается, исходя из предусмотренного техническим заданием максимального расхода для расходомерного устройства. Это необходимо для обеспечения достаточной величины времени прохождения возмущений от одного регистрирующего модуля к другому.
Генерирующий и регистрирующий модули жестко крепятся на раму, состоящую из шпилек 6 и щечек 5. Щечки 5 также составляются из трех секторов. С помощью щечек 5 может производиться центровка относительно трубопровода, однако жесткого соединения с каналом нет.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
В каждом индукторе генерирующего модуля создается вращающееся магнитное поле путем подключения индукционных катушек 3 к трехфазному питанию. Бегущее по кругу в плоскости, ортогональной направлению основного потока контрольной жидкости, магнитное поле увлекает за собой рабочую среду в области между стержней магнитопроводов 2, закручивая ее.
Направление вращения в индукторах генерирующего модуля может быть как сонаправленным, так и противоположным, и выбирается исходя из условий эксплуатации, а именно диаметра трубы и величины расхода. Созданная завихренность потока перемещается со скоростью потока рабочей среды и проходит последовательно индукторы регистрирующего модуля, изменяет постоянное магнитное поле, созданное их катушками 3, вызывая отклик в измерительных катушках 4. Сигнал от катушек 4 поступает в измерительный модуль (на рисунке не показан), где при помощи корреляционного анализа вычисляется время пролета завихренности от одного к другому индуктору регистрирующего модуля. Зная расстояния между ними, можно вычислить объемный расход рабочей среды. Полученное значение расхода не зависит ни от электропроводности, ни от температуры рабочей среды.
Устройство может работать также и в меточном режиме, при котором генерирующий модуль работает в импульсном режиме, а измерительный модуль измеряет время пролета завихренности от генерирующего модуля до регистрирующего модуля с помощью сигналов от катушек 4.
В расходомере используется способ генерации пульсаций скорости, который заключается в применении электромагнитных сил, созданных в локальной области канала с помощью индукторов вращающегося магнитного поля. Регистрация таких пульсаций осуществляется также с помощью электромагнитной системы, которая реализует метод электромагнитных корреляций (МЭК).
На фиг. 4 показан пример расчетной диаграммы эволюции профиля аксиальной компоненты скорости жидкого металла вдоль оси канала для методики МЭК. Численное исследование МЭК показало, что существуют режимы генерации пульсации, реализуемой электромагнитным индуктором, при которых всплеск скорости практически не теряет своей интенсивности вдоль потока.
На фиг. 5 показан пример расчетной корреляционной функции для наилучшего режима реализации методики МЭК. При удачном расположении электромагнитных датчиков регистрации пульсации скорости, достигается высокая степень корреляции при восстановлении значений скорости.
Расчеты проводились в рамках математической модели, основанной на уравнениях магнитной гидродинамики. Рассматривались режимы, в которых магнитное число Рейнольдса меньше единицы - это означает, что процесс переноса магнитного поля потоком можно не учитывать и применять безындукционное приближение. Поэтому задачи электродинамики и гидродинамики изучались раздельно.
Электродинамические исследования математической модели, основанной на уравнениях Максвелла, проводились в приложении Ansys Emag с помощью метода конечных элементов.
Гидродинамические исследования математической модели, основанной на уравнениях Навье-Стокса с использованием полуэмпирической модели турбулентности LES, проводились в приложении Ansys Fluent с помощью метода конечных объемов. Анализ корреляций пульсаций и перевод данных с электродинамической расчетной сетки на гидродинамическую проводился в приложении Matlab. Начало координат располагается на оси цилиндрического канала и связано с положением центра генерирующего модуля. Ось OZ направлена вдоль канала, а оси ОХ и OY лежат в плоскости, ортогональной оси OZ, и образуют правую тройку векторов.
В данных исследованиях в генерирующем модуле направление вращающихся магнитных полей было встречно: одно вращалось по часовой стрелке, другое - против, относительно оси канала. Генерирующий модуль работает в импульсном режиме, причем время импульса и время между импульсами являются предметом проводимого научного исследования. Для заданного расхода существуют интервалы наилучших значений этих двух времен, при которых достигается наибольшая степень корреляции в измерительном модуле. Интенсивность электромагнитных сил также является предметом исследования. Для каждого жидкого металла она будет разной при одинаковом значении тока на обмотках, питающих генерирующий модель.
Для представленных в качестве примера графиков, ток на питающих обмотках равен 1 А, длительность импульса равна 1 с, а период между ними 10 с. Изучены изотермические процессы в широком диапазоне расхода жидкого металла (от 1 до 10 куб.м. в час). Обнаружено, что каждому расходу соответствует набор параметров, который обеспечивает наилучшие условия для измерения. Для представленных графиков расход галлиевого сплава при комнатной температуре равен 5.65 куб.м. в час.
Наилучшее положение датчиков также является предметом исследования. Изучалась степень корреляции двух пульсирующих сигналов, создаваемых полем скорости в фиксированных локализованных областях действия датчиков. Обнаружено, для каждого набора рабочих параметров расходомера: расхода жидкого металла, его электропроводности, времени длительности импульса, периоду между импульсами, соответствует два значения положения датчиков, обеспечивающих наилучшие условия для измерения с высокой степенью корреляции. Для представленных графиков наилучшее расстояние от первого датчика до генерирующего модуля равно 0.3 м, а расстояние между датчиками 0,1 м.