ИНДУКЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
INDUCTION FLOWMETER OF LIQUID METAL

Изобретение относится к приборостроению, в частности к расходомерам, предназначенным для измерения расхода жидких металлов.
Известны электромагнитные расходомеры жидких металлов, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции [1]. Электромагнитный расходомер имеет трубу из нержавеющей стали без изоляционного покрытия внутренней поверхности, два электрода, приваренных к наружной поверхности стенки трубы, и индуктор, создающий магнитное поле в рабочей зоне канала трубы. Индуктор может состоять из магнитопровода и питаемых электрическим током двух индукционных катушек, расположенных на трубе. Кроме того, расходомер имеет измерительное устройство, которое обеспечивает питание индукционных катушек и измерение сигнала, воспринимаемого электродами.
Для измерения расхода жидких металлов в трубах большого диаметра применяют также индуктор, состоящий из магнитопровода, выполненного в виде полого цилиндра, и двух бескаркасных индукционных катушек [2]. К внешней поверхности трубы по линии, перпендикулярной оси канала и линии, соединяющей центры индукционных катушек, диаметрально противоположно приварены два электрода.
m
Недостатком этих расходомеров является нелинейная зависимость показаний от расхода жидкого металла. Кроме того, имеется зависимость сигнала от изменения электропроводности жидкого металла, вызванная, например, изменением температуры. Эти эффекты вызваны циркуляционными токами в жидком металле, которые при больших расходах образуют вторичные магнитные поля, деформирующие исходную эпюру магнитного поля, создаваемую индуктором в канале трубы. Причем если на входе по движению потока они ослабляют исходное магнитное поле, то на выходе усиливают его в той же мере. В результате сложения исходного и вторичного магнитных полей, результирующая эпюра магнитного поля не изменила своего интегрального значения, однако оказывается смещенной по направлению движения жидкого металла с деформированными краями фронтов. Величина деформации эпюры магнитного поля характеризуется критерием магнитогидродинамического подобия - магнитным числом Рейнольдса (Re).
m
где D - диаметр канала, v - скорость потока, σ - электропроводность измеряемой среды, μ - магнитная проницаемость жидкого металла. Деформация эпюры магнитного поля, по меньшей мере, зависит от двух параметров, которые могут широко изменяться при эксплуатации расходомера: от изменения скорости потока v и от температуры, которая существенно изменяет электропроводность σ жидкого металла. Если магнитное число Рейнольдса достигает значений, больших единицы (Re>1), то эпюра магнитного поля в канале расходомера претерпевает заметную деформацию, вызываемую индуцированными циркуляционными токами в измеряемой среде. Поскольку магнитное число Рейнольдса зависит от скорости потока v, то искажение эпюры магнитного поля отсутствует при малых расходах и постепенно возрастает с увеличением расхода. Таким образом, возникает нелинейная зависимость показаний от расхода. Магнитное число Рейнольдса зависит и от электропроводности жидкого металла, а следовательно, и от его температуры. Зависимость характеристики расходомеров от магнитного числа Рейнольдса - это большой недостаток приборов.
Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения является индукционный расходомер, описанный в [3].
Расходомер состоит из первичного преобразователя и измерительного устройства. В отличие от описанных выше электромагнитных расходомеров этот расходомер не имеет электродов. Первичный преобразователь расходомера имеет трубу, индуктор, создающий магнитное поле в канале трубы, и содержит, по крайней мере, две включенные встречно индикаторные катушки, воспринимающие искажение магнитного поля, и две силовые катушки, производящие обратную деформацию эпюры магнитного поля. Ток, пропускаемый через силовые катушки, устанавливается такой величины, при которой обратная деформация магнитного поля доводится до нулевого сигнала на индикаторных катушках. При этом мерой расхода служит ток, протекающий через силовые катушки.
Индукционный расходомер основан на измерении степени деформации магнитного поля в канале, обусловленной движением жидкого металла.
Согласно выражению (1) деформация эпюры магнитного поля зависит не только от скорости потока v, но и электропроводности измеряемой среды σ. Следовательно, показания рассматриваемого расходомера зависят от изменения температуры жидкого металла, от которой зависит его электропроводность. Это свойство является существенным недостатком расходомера [3].
Предлагаемый индукционный расходомер жидких металлов отличается от прототипа [3] тем, что в первичном преобразователе имеется два электрода, приваренных к наружной поверхности трубы. Электроды расположены диаметрально противоположно на линии, перпендикулярной оси канала и направлению магнитного поля. Электроды подсоединены ко входу измерительного устройства.
Ограничительными признаками изобретения являются наличие измерительного устройства и первичного преобразователя, который имеет трубу, индуктор, создающий магнитное поле, две встречно включенные индикаторные катушки, воспринимающие деформацию эпюры магнитного поля, и, по крайней мере, две силовые катушки, производящие обратную деформацию эпюры магнитного поля.
Мерой расхода служит разность потенциалов между электродами, обрабатываемая измерительным устройством.
m
При любом практически возможном расходе после восстановления эпюры магнитного поля в исходное состояние разность потенциалов между электродами становится линейно пропорциональной скорости и расходу жидкого металла и не зависит от изменения электропроводности жидкого металла. Следовательно, изменение температуры не проявляется на показаниях расходомера. Это можно пояснить следующим образом. Допустим, при некотором постоянном расходе происходит изменение электропроводности жидкого металла, например, за счет изменения температуры. Соответственно изменится величина Re и изменится деформация эпюры магнитного поля в канале расходомера. Изменение деформации эпюры магнитного поля вызовет соответствующее изменение сигнала индикаторных катушек и тока в силовых катушках, при котором сигнал в индикаторных катушках доводится до нулевого значения. Эпюра магнитного поля в канале расходомера восстановится, примет прежнюю, исходную форму. Разность потенциалов между электродами, вызванная расходом жидкого металла, остается прежней величины.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности измерения расхода жидкого металла.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Издательство «Машиностроение», Ленинград, 1982 г., 214 с.
2. Патент RU №2527134, Бюл. №11, 2014 г.
3. Авторское свидетельство СССР №173441, Бюл. №15, 1965 г.