СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF SIMULATION TECHNIQUE OF ELECTROMAGNET FLOW METRES OF LIQUID METALS

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода жидких металлов с помощью электромагнитных расходомеров, к технике их имитационного моделирования. Измерение расхода жидких металлов необходимо, например, при эксплуатации энергетических установок, где жидкий металл используется в качестве теплоносителя.
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 трубы), два электрода, приваренных к наружной поверхности стенки трубы, и индуктор, создающий низкочастотное импульсное магнитное поле в рабочей зоне канала.
m
Известно [1], что электромагнитные расходомеры, предназначенные для измерения расхода сред с высокой электропроводностью, в частности жидких металлов, чувствительны к изменению магнитного числа Рейнольдса (Re)
0
m
где V - средняя скорость потока жидкого металла, D - диаметр канала, µ - магнитная проницаемость жидкого металла, σ - электропроводность жидкого металла. При Re>1 возникает известный эффект - снос (смещение) магнитного поля возбуждения в направлении движения потока жидкого металла.
При движении жидкого металла по трубе, в нем, в результате взаимодействия с магнитным полем индуктора, на границах рабочей зоны, т.е. зоны магнитного поля в канале, образуются циркуляционные токи, создающие свои магнитные поля, причем величина циркуляционных токов и соответственно величина создаваемых ими магнитных полей пропорциональны магнитному числу Рейнольдса. По направлению движения жидкого металла на входе в рабочую зону расходомера магнитное поле циркуляционных токов направлено навстречу магнитному полю индуктора, а на выходе из рабочей зоны расходомера магнитное поле циркуляционных токов направлено согласно с магнитным полем индуктора. Таким образом, суммарное магнитное поле циркуляционных токов и индуктора оказывается практически таким же, как магнитное поле индуктора, но смещено на некоторую величину вдоль оси канала, в направлении движения потока жидкого металла. Причем, чем меньше протяженность магнитного поля возбуждения вдоль оси канала, тем значительнее в центральном сечении канала изменение магнитного поля возбуждения и его влияние на показания расходомера. Практически все электромагнитные расходомеры жидкого металла имеют магнитное поле, распределенное вдоль оси канала, на протяжении, приблизительно равном одному диаметру трубы, поскольку такое магнитное поле обеспечивает оптимальные характеристики прибора: максимальную чувствительность при минимальном потреблении энергии для создания магнитного поля. Смещение магнитного поля может вызвать изменение коэффициента преобразования расходомера и внести ошибку в показания прибора.
Сложность исследования расходомеров жидких металлов на проливных стендах вынуждает искать иные, т.е. беспроливные способы исследования расходомеров, в частности способы имитационного моделирования.
p
p
Известен способ [2] имитационного моделирования электромагнитных расходомеров ионных жидкостей, т.е. жидкостей, электропроводность которых на несколько порядков ниже, чем электропроводность жидких металлов, поэтому при измерении расхода ионных жидкостей циркуляционные токи и их магнитные поля незначительны, а магнитное число Рейнольдса всегда много меньше единицы. Известный способ [2] предусматривает преобразование магнитного поля расходомера в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещаемой в канал, интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования расходомера К. Коэффициент преобразования К определяется выражением
0
где U - напряжение между электродами, I - ток возбуждения магнитного поля индуктором, Q - объемный расход жидкого металла, равный
Индукционная катушка выполнена в виде плоской многослойной печатной платы, причем витки катушки размещены вдоль линий равного значения весовой функции [3]. Индукционная катушка размещается в канале моделируемого расходомера в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды. Причем одна из осей симметрии индукционной катушки совпадает с линией, соединяющей электроды расходомера.
Недостатком известного способа является невозможность моделировать зависимость коэффициента преобразования электромагнитного расходомера от изменения магнитного числа Рейнольдса.
Способ имитационного моделирования [2] является наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения.
m
Целью предлагаемого изобретения является создание способа имитационного моделирования работы электромагнитных расходомеров при любых числах Re, практически встречающихся в практике измерения расхода жидких металлов.
Эта цель достигается пропусканием электрического тока через электроды в пустую трубу расходомера. Ток I, пропускаемый через электроды и стенку пустой трубы, создает напряжение между электродами, равное
где R - электрическое сопротивление трубы между электродами.
Ток, растекаясь по стенке трубы, занимает вдоль ее оси область порядка одного диаметра трубы. При этом магнитное поле, образуемое током, создает эффект смещения магнитного поля индуктора.
0
m
Для того чтобы обеспечить смещение магнитного поля аналогичное, вызываемому магнитным числом Рейнольдса, полярность тока I должна соответствовать полярности сигнала, возбуждаемого между электродами, если бы по каналу протекал жидкий металл в заданном направлении, а частота и фаза тока должны быть одинаковыми с соответствующими параметрами тока питания индуктора I. При этом связь величины тока I с Re должна соответствовать выражению (5), полученному из совместного решения уравнений (1)-(4).
0
m
m
Чертеж поясняет формирование магнитного поля в пустом канале расходомера с помощью тока I индуктора и тока I, пропускаемого через электроды. На чертеже изображена труба 1, к наружной поверхности которой приварены электроды 2. К электродам 2 подведен ток I. Линиями 3 показано распределение тока I в стенке трубы. Крестиками и точками показано направление магнитного поля, образованное током I, который создается регулируемым источником 4. Крестики указывают направление магнитного поля в плоскость чертежа, а точки - направление магнитного поля из плоскости чертежа. Таким образом, ток I создает магнитное поле, которое, суммируясь с магнитным полем индуктора, смещает магнитное поле индуктора вдоль оси канала в направлении предполагаемого движения потока измеряемой жидкости. На чертеже изображена диаграмма распределения магнитного поля вдоль оси канала при двух режимах, 5 - когда ток I=0, т.е. имитируется Re=0, и 6 - когда ток I соответствует некоторому значению Re>1.
0
pR
Оценка влияния магнитного числа Рейнольдса на коэффициент преобразования расходомера производится следующим образом. Магнитное поле в рабочей зоне канала, сформированное токами I и 7, преобразуется в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещенной в канал. Индукционная катушка размещается в канале моделируемого расходомера в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды. Причем одна из осей симметрии индукционной катушки совпадает с линией, соединяющей электроды расходомера. Производится интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования (K) расходомера, соответствующего заданному магнитному числу Рейнольдса. Для этого ток I устанавливается равным значению, вычисленному по формуле (5).
Величина ε, характеризующая относительное изменение коэффициента преобразования расходомера, вызванное изменением магнитного числа Рейнольдса от нулевого до заданного значения, соответствующего току I, равна
m1
m2
m1
m2
Предлагаемый способ имитационного моделирования электромагнитного расходомера жидких металлов позволяет также измерить относительное смещение магнитного поля, вызванное изменением магнитного числа Рейнольдса. Например, необходимо измерить величину смещения магнитного поля при изменении магнитного числа Рейнольдса от значения Re до значения Re, при условии Re<Re.
1
m1
pRI
2
m2
pR2
рR2
pR1
m1
m2
Для этого устанавливают ток I, соответствующий Re согласно выражению (5) и измеряют коэффициент преобразования К,. Затем устанавливают ток I соответствующий Re. Смещают имитационную катушку вдоль оси канала, по направлению предполагаемого движения жидкого металла на некоторую величину. Измеряют коэффициент К Итеративным методом находят положение индукционной катушки, при котором измеренный коэффициент преобразования К окажется равным К. В этом случае, величина смещения магнитного поля, вызванная изменением магнитного числа Рейнолдса от Re до Re, равна смещению индукционной катушки вдоль оси канала.
m
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности имитационного моделирования электромагнитных расходомеров при режимах, соответствующих высоким магнитным числам Рейнольдса (Re>1), и может использоваться для поверки расходомеров имитационным методом.
Источники информации
1. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Издательство «Машиностроение», Ленинград, 1982 г., 214 с.
2. Патент RU 2146042 C1, 7 G01F 25/00, Бюллетень №6, 2000.
3. Авторское свидетельство СССР, №627343, кл. G01F 25/00, Бюллетень №37, 1978.