ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР

Предлагаемая полезная модель относится к области контроля расхода электропроводных жидкостей и может быть использована преимущественно для измерения расхода жидких металлов в атомной энергетике.
Классическим расходомером для измерения расходов жидкометаллических теплоносителей является расходомер, состоящий из трубопровода с измеряемой средой, на котором закреплена магнитная система с постоянными магнитами, а снаружи трубы приварены электроды для съема сигнала или электроды введены внутрь трубопровода через гермовводы. В таком расходомере ЭДС в потоке теплоносителя, движущегося в магнитном поле, определяется из следующей зависимости
Где Е - ЭДС, наведенная в движущемся потоке;
В - индукция магнитного поля в зоне контроля;
- длина движущегося проводника - диаметр потока;
V - скорость движения электропроводной среды в зоне контроля.
По формуле (1) скорость потока V определяется с достаточной точностью для электропроводных жидкостей в трубопроводах из электроизоляционного материала, т.к. величина сигнала, снимаемого с электродов, будет близка к величине Е. Если же измеряемой средой является жидкий металл (натрий, свинец, сплав свинец-висмут) в стальном трубопроводе, то величина напряжения, снимаемого с электродов не будет равна величине Е, т.к. за счет наведенной в потоке ЭДС в зоне измерения циркулируют токи, замыкающиеся по трубопроводу и по объемам жидкого металла за пределами зоны измерения, где индукция магнитного поля постепенно уменьшается до нуля. Соответственно, на электродах величина сигнала будет меньше, чем вычисленная величина Е и степень этого уменьшения зависит от многих факторов, влияющих на электропроводность жидкого металла и материала трубопровода, от контактного сопротивления между жидким металлом и трубой, от степени искажения магнитного поля наведенными в металле токами и др.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является вихревой электромагнитный расходомер по авторскому свидетельству SU 1552776.
Принцип действия указанного расходомера заключается в контроле частоты вихрей Кармана, образующихся в потоке при введении в него тела обтекания, которое обычно выполнено в форме призмы, обращенной широким основанием навстречу потоку. Частота вихрей зависит только от скорости потока V и геометрии расходомера внутри зоны измерения. Для измерения частоты вихрей расходомер по а.с. 1552776 содержит магнитную систему и электроды, приваренные к трубопроводу вдоль его образующей на рабочем участке расходомера.
Величина напряжения, снимаемого с электродов в соответствии с (1) будет пульсировать, т.к. при наличии вихрей будет меняться величина и направление V. Частота пульсаций равна частоте вихрей, и если к электродам подключить усилитель сигнала и далее частотомер, то измеренная частота будет пропорциональна расходу среды. В этом расходомере изменение амплитуды сигнала, связанное с вышеупомянутыми помехообразующими факторами не является информационным параметром и соответственно не вносит погрешность в результат измерения.
В а.с. 1552776 магнитная система представляет собой два оппозитно расположенных постоянных магнита, соединенных снаружи магнитопроводом из ферромагнитного материала, т.е. магнитного поле распределено равномерно по диаметру трубопровода в зоне конроля. В этой конструкции магнитной системы воздушный зазор между полюсами магнитов должен иметь величину не менее наружного диаметра трубопровода с измеряемой средой. Для трубопроводов малого диаметра такое ограничение не критично и обеспечивается умеренными размерами магнитопровода и магнитов, однако на атомных реакторах с натриевым теплоносителем диаметры трубопроводов с натрием достигают величины 300÷800 мм и в этом случае рассмотренная конструкция магнитной системы имела бы очень большие габариты, вес, стоимость и, самое главное -при таких величинах воздушного зазора между полюсами магнитов невозможно добиться высокой величины индукции магнитного поля, и, соответственно достаточной амплитуды сигнала на электродах, необходимой для надежного выделения сигнала на фоне высокочастотных электромагнитных помех.
Для исключения недостатков рассмотренной конструкции предлагается магнитную систему для трубопроводов средних и больших размеров выполнять не с оппозитно расположенными магнитами, а с магнитами, магнитные оси которых расположены под углами от 0 до 45° к плоскости, проходящей через ось трубопровода и точки присоединения электродов. Конструктивная схема предложенного устройства представлена на рис.1.
В трубопроводе 1 протекает измеряемая среда - жидкий металл 3, на пути потока среды 3 внутри трубопровода 1 закреплено тело обтекания 2 в форме усеченной призмы, за телом обтекания 2 снаружи трубопровода 1 установлены две магнитные системы, состоящие из постоянных магнитов 7 и магнитопроводов 8, а по образующей трубопровода 1, расположенной посредине между магнитами 7, приварены к трубопроводу электроды 4, 5, 6. Электрод 4 приварен до тела обтекания 2, электрод 5 - за телом обтекания 2 на расстоянии от 0,5 до 0,8 диаметра трубопровода 1, а электрод 6 - на расстоянии (1,5-1,8) диаметра трубопровода 1. К парам электродов 4-5; 5-6; 4-6 подключены усилители сигналов 9, а к выходам усилителей 9 - преобразователи частоты 10.
Устройство работает следующим образом. Поток измеряемой среды 3 после тела обтекания 2 завихряется, причем частота вихрей пропорциональна скорости V среды 3 в трубопроводе 1 перед телом обтекания 2. Магнитные системы, закрепленные на трубопроводе 1 за телом обтекания 2 и состоящие из магнитов 7 и магнитопроводов 8 создают в потоке среды 3 в зоне расположения электродов 5 и 6 магнитные поля, вектора индукции  которых параллельны оси тела обтекания 2. Таким образом в зонах потока среды 3 под электродами 5 и 6 направление магнитного поля  перпендикулярно оси трубопровода 1, а вектор скорости V потока среды 3 периодически меняет направление симметрично оси трубопровода 1, и по закону электромагнитной индукции в соответствии с формулой (1) в потоке под электродами 5 и 6 генерируется переменная ЭДС с частотой, равной частоте движения вихрей. Эта ЭДС наводит в среде 3 и стенках трубопровода токи короткого замыкания на активных сопротивлениях среды 3 и трубопровода 1, и в результате напряжение на электродах 5 и 6 будет меньше, чем ЭДС в движущемся потоке среды 3, но для принципа действия расходомера это несущественно, т.к. информационный параметр - частота сигнала, а не его амплитуда. Единственное ограничение по амплитуде сигнала - она должна быть больше амплитуды возможных помех, т.е. обеспечивать достаточную величину отношения: сигнал - шум. Далее сигналы с электродов 4, 5, 6 попарно поступают на усилители 9, а с них на преобразователи 10 частоты в расход конролируемой среды - жидкого металла 3. Как видно из конструктивной схемы на рис.1 в предложенном устройстве достаточно создавать магнитное поле с индукцией  только вблизи электродов 5 и 6, а не по всему поперечному сечению трубопровода 1, как в а.с. 1552776. Как уже отмечалось, это позволяет существенно уменьшить габариты, вес и стоимость магнитной системы при достаточной величине индукции  в рабочей зоне под электродами 5 и 6. Угловое расстояние α магнитных осей магнитов 7 от плоскости расположения электродов 5 и 6 целесообразно выбирать в пределах от 0 до 45°. Малые углы используются в трубопроводах большого диаметра (300 и более мм), а углы близкие к 45° - в трубопроводах среднего диаметра (100÷150) мм. Располагать магниты 7 под углами более 45° к плоскости электродов 5 и 6 нет смысла, т.к. при этих углах размеры магнитной системы будут мало отличаться от размеров магнитной системы с оппозитным расположением магнитов, как в а.с. 1552776.
В предлагаемом устройстве используются две магнитные системы, и соответственно, два основных канала измерения с парами электродов 4-5 и 4-6. Это сделано для надежности контроля расхода, т.к. на атомных станциях предъявляется требование к системам контроля иметь несколько независимых каналов. Третий независимый канал конроля в предложенном устройстве образуется парой электродов 5-6. Поскольку вихри потока к этим электродам приходят со сдвигом по фазе, то между этими электродами также создается переменное напряжение с частотой вихрей.
Использование предложенного устройства позволит увеличить надежность контроля расхода на реакторных установках с жидкометаллическими теплоносителями при уменьшении массы, размеров и стоимости расходомеров.