МАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
MAGNETIC FLOW METER OF LIQUID METAL

Изобретение относится к приборостроению, в частности к магнитным расходомерам, предназначенным для измерения расхода жидких металлов.
Известны магнитные расходомеры жидких металлов, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции [1]. Магнитный расходомер имеет трубу из нержавеющей стали без изоляционного покрытия внутренней поверхности, электроды, приваренные к наружной поверхности стенки трубы и индуктор, создающий магнитное поле в рабочей зоне канала трубы. Индуктор может состоять из магнитопровода и постоянных магнитов, либо быть электромагнитом, т.е. состоящим из магнитопровода и расположенной на нем индукционной катушки, питаемой электрическим током.
Для измерения расхода жидких металлов в трубах большого диаметра применяют индуктор, состоящий из магнитопровода, выполненного в виде полого цилиндра и двух бескаркасных седлообразной формы индукционных катушек [2]. К внешней поверхности трубы по линии, перпендикулярной оси канала, и линии, соединяющей центры индукционных катушек, диаметрально противоположно приварены два электрода. Каждая бескаркасная катушка имеет вид эллипса, огибающего трубу, ось среднего витка которого, расположенная вдоль образующей трубы, равна 0,5-0,6 диаметра канала, а ось среднего витка, расположенная вдоль периметра трубы, равна 1,0-1,2 диаметра канала.
m
Недостатком этого расходомера является нелинейность зависимости показаний от объемного расхода жидкого металла. Нелинейность характеристики расходомера вызвана циркуляционными токами в жидком металле, которые при больших расходах образуют вторичные магнитные поля, искажающие магнитное поле возбуждения, создаваемое индукционной катушкой. Величина индуцированного (вторичного) магнитного поля может характеризоваться магнитным числом Рейнольдса (Re).
m
Re=Rvσµ;
m
где R - радиус канала - характерный линейный размер, v - скорость потока, σ - электропроводность измеряемой среды, µ - магнитная проницаемость измеряемой среды. Если магнитное число Рейнольдса достигает значений больших единицы (Re>l), то магнитное поле в канале расходомера претерпевает заметные изменения, вызываемые индуцированными циркуляционными токами в измеряемой среде, которые снижают чувствительность расходомера к расходу жидкого металла. Поскольку магнитное число Рейнольдса зависит от скорости потока, то искажение магнитного поля отсутствует при малых расходах и постепенно возрастает с увеличением расхода, таким образом, возникает нелинейная зависимость показаний от расхода.
Расходомер, описанный в патенте [2], является наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения.
Целью изобретения является создание расходомера жидких металлов в трубе большого диаметра с зависимостью показаний от расхода, слабо чувствительного к магнитному числу Рейнольдса.
Предлагаемый магнитный расходомер жидких металлов отличается от [2] тем, что количество пар электродов восемь. Все электроды попарно расположены по образующим трубы в плоскости, проходящей через ось канала перпендикулярно оси индукционных катушек. Координаты линий, соединяющих пары электродов, отсчитываются от точки пересечения оси индуктора с осью трубы. Они имеют следующие значения:
где а - расстояние от оси индуктора до начала рабочего участка трубы, b - расстояние от оси индуктора до конца рабочего участка трубы. Измерительное устройство расходомера выполняет последовательно измерения разности потенциалов между каждой парой электродов. Затем суммируются измеренные разности потенциалов каждой пары электродов с учетом весовых коэффициентов, присущих применяемому методу интегрирования Гаусса по восьми точкам [3], и строится зависимость полученной суммы от расхода. Такое исполнение конструкции расходомера позволяет получить характеристику, близкую линейной зависимости выходного сигнала от объемного расхода жидкого металла.
Суть технического решения состоит в следующем.
Вторичное магнитное поле, индуцируемое в жидком металле, образуется только на краях участка рабочего магнитного поля, распределенного в канале прибора. Причем если на входе по движению потока оно ослабляет исходное магнитное поле, то на выходе усиливает его в той же мере. В результате сложения исходного и вторичного магнитных полей результирующее поле не изменило своего интегрального значения, однако оказывается смещенным по направлению движения жидкого металла с несколько деформированными краями фронтов. Величина смещения магнитного поля и деформация краев тем больше, чем больше магнитное число Рейнольдса.
Смещение магнитного поля возбуждения, естественно, вызывает аналогичное смещение индуцированного электрического поля на внешней поверхности трубы. Если рабочий участок канала расходомера отождествлять с участком, в котором индуцируется электрическое поле за счет взаимодействия потока жидкого металла с магнитным полем, то по мере повышения скорости потока рабочий участок канала расширяется в направлении движения потока.
3
Например, у расходомера жидкого металла с диаметром канала 600 мм при изменении объемного расхода от 0 до 8000 м/ч рабочий участок трубы составит приблизительно 4R. Причем положение этого рабочего участка относительно оси индуктора окажется смещенным в направлении движения потока. При этом расстояние от оси индуктора до начала рабочего участка трубы приблизительно равно радиусу канала R, а расстояние от оси индуктора до конца рабочего участка трубы составляет 3R. Это отображено на рис. 1 и 2.
1
16
Для того чтобы охватить измерением всю область индуцированного электрического поля с учетом его перемещения по каналу в предлагаемом расходомере электроды расположены с существенным смещением относительно осей индуктора в направлении потока жидкого металла. На обоих рисунках обозначены одинаковыми цифрами одни и те же элементы конструкции расходомера: 1 - труба расходомера, выполненная из немагнитной стали, 2 - электроды, приваренные к наружной поверхности трубы, 3 - бескаркасная седлообразной формы катушка индуктора, 4 - полый цилиндрический магнитопровод, 5 - оси симметрии индуктора. На наружной поверхности трубы 1 по двум образующим, расположенным диаметрально противоположно, расположено 16 электродов. На рис. 2 и в таблице электроды обозначены z-z. Расстояния между парами электродов выполнено с учетом применения метода интегрирования Гаусса по восьми точкам [3].
1
6
7
16
Такое расположение электродов позволяет обеспечить наиболее высокую точность интегрирования сигналов при минимальном числе электродов. Электроды расположены попарно относительно точки пересечения образующей трубы с плоскостью, перпендикулярной оси канала и проходящей через ось индуктора. Координаты пар электродов (таблица) вычислены для расходомера с диаметром канала 600 мм по формулам (1)-(8) при условии a=R, a b=3R. Три пары электродов (z-z) расположены на короткой входной части рабочего участка трубы (a=R), а пять пар электродов (z-z) на протяженной выходной части рабочего участка трубы (b=3R).
Магнитный расходомер жидкого металла работает следующим образом. К индукционным катушкам, включенным последовательно, подводится переменный электрический ток низкой частоты, в результате которого в канале трубы создается переменное магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, проходящей через линию, соединяющую электроды и ось трубы. При движении жидкого металла по каналу в жидком металле, пересекающем магнитное поле, и в стенке трубы возбуждается электрическое поле, которое служит мерой объемного расхода жидкого металла. Производится суммирование разностей сигналов, снятых с каждой пары электродов, размещенных на протяженном участке трубы с учетом формул (1)-(8) и весовых коэффициентов по методу Гаусса [3]. При этом существенно ослабляется зависимость показаний расходомера от магнитного числа Рейнольдса.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности измерения расхода жидкого металла.
ИСТОЧНИКИ ИФОРМАЦИИ
1. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Издательство «Машиностроение», Ленинград, 1982 г., 214 с.
2. Патент RU №2527134, бюл. №11, 2014 г.
3. Г.Корн, Т.Корн, Справочник по математике, Москва «Наука», 1984, 832. Численное интегрирование с помощью квадратурных формул.