ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
ELECTROMAGNETIC METHOD OF MEASURING FLOW RATE OF LIQUID METAL

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода жидких металлов с помощью электромагнитного способа, т.е. способа, основанного на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону Фарадея, согласно которому в жидкости, движущейся в магнитном поле, индуктируется электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная скорости движения жидкости.
Известен способ измерения расхода жидкого металла, протекающего в магнитном поле через стальную немагнитную трубу [1, 2].
Способ состоит в определении расхода жидкого металла по разности потенциалов между двумя электродами, приваренными к наружной поверхности трубы в точках, диаметрально противоположно расположенных по линии, перпендикулярной направлению магнитного поля. В расходомере [2] применен электромагнит, питаемый импульсным низкочастотным биполярным стабильным током. При этом мерой расхода является разность потенциалов между электродами в период, когда закончился переходный процесс, вызванный переключением полярности магнитного поля.
m
Недостатком способа является нелинейность зависимости показаний объемного расхода жидкого металла при больших скоростях. Нелинейность характеристики расходомера вызвана циркуляционными токами в жидком металле, которые при больших скоростях генерируют вторичные магнитные поля, искажающие магнитное поле возбуждения и создающие частичный «вынос» его в направлении движения жидкого металла. Это явление называется магнитогидродинамическим эффектом (МГД), который характеризуется магнитным числом Рейнольдса (Re), определяемым по следующей формуле:
m
Re=R × v × σ × μ,
где R - радиус канала - характерный линейный размер;
v - скорость потока;
σ - электропроводность измеряемой среды;
μ - магнитная проницаемость измеряемой среды.
Поскольку магнитное число Рейнольдса зависит от скорости потока, то «вынос» магнитного поля индуктора отсутствует при малых скоростях и постепенно возрастает с увеличением скорости, таким образом, возникает нелинейная зависимость показаний от расхода.
Предлагаемое изобретение устраняет указанный выше недостаток следующим образом. При применении предлагаемого способа кроме измерения разности потенциалов между электродами, производится измерение осевой компоненты магнитного поля (т.е. поля, направленного вдоль оси трубы) в центральном поперечном сечении канала.
По результату измерения этой компоненты магнитного поля осуществляется вычисление и внесение поправки в показание расходомера, устраняющей нелинейность характеристики расходомера.
m
Когда измеряемая среда (т.е. жидкий металл) неподвижна или имеет небольшую скорость движения, при которой магнитное число Рейнольдса не больше единицы, деформации магнитного поля практически нет. В этом случае в центральном поперечном канале отсутствует осевая компонента магнитного поля. При увеличении скорости потока магнитное поле индуктора деформируется, смещаясь в направлении движения жидкого металла. В этом случае, в центральном поперечном сечении канала появляется осевая компонента магнитного поля, направленная навстречу движению жидкого металла. Чем больше скорость потока, т.е. чем выше Re, тем больше в центральном поперечном сечении канала осевая компонента магнитного поля.
В предлагаемом изобретении величина осевой компоненты магнитного поля измеряется и используется для вычисления поправки результата измерения расхода, устраняющей нелинейность характеристики расходомера, вызванную влиянием магнитного числа Рейнольдса.
Для измерения осевой компоненты магнитного поля в конструкции расходомера предусматривается катушка, витки которой расположены по внешнему периметру трубы в центральном поперечном сечении канала. В большинстве случаев достаточно одного витка. Катушка может включать цепь электрод - измеряемая среда - электрод.
Поскольку плоскость витка катушки находится в плоскости симметрии индуктора, осевая составляющая магнитного поля отсутствует в плоскости витка. При скоростях потока жидкого металла, соответствующих значительным магнитным числам Рейнольдса, магнитное поле индуктора претерпевает «вынос», нарушается симметричность магнитного поля относительно плоскости, в которой расположен виток индукционной катушки. Появляется осевая компонента магнитного поля, т.е. компонента поля, направленная по нормали к плоскости витка катушки. Поскольку магнитное поле индуктора создается импульсным низкочастотным биполярным стабильным током, то в витке катушки появляется ЭДС, пропорциональная осевой компоненте магнитного поля и частоте переключения его полярности. Работа расходомера осуществляется следующим образом.
Индуктор создает импульсное биполярное магнитное поле низкой частоты (0,5-5) Гц. Если витки катушки не связаны с цепью электродов, то в катушке индуцируется только квадратурная компонента сигнала, т.е. ЭДС, пропорциональная напряженности осевой компоненты магнитного поля и частоте изменения ее полярности.
Сигнал, снимаемый с электродов состоит из двух компонент: квадратурной и синфазной.
Квадратурная компонента индуцируется осевой компонентой магнитного поля, она проявляется только в период переходного процесса, вызванного переключением полярности магнитного поля. Синфазная компонента сигнала измеряется в те моменты времени, когда магнитное поле устанавливается постоянным. Эта компонента характеризует объемный расход. Причем на синфазную компоненту сигнала влияет деформация магнитного поля, вызванная МГД-эффектом, характеризуемым магнитным числом Рейнольдса. Чем значительней деформация магнитного поля индуктора, тем слабее отношение синфазной компоненты сигнала к скорости потока.
Рассмотрим вариант предлагаемого изобретения, в котором в катушку включена цепь электрод - измеряемая среда - электрод. В этом случае измерение сигнала между электродами выполняется дважды. Первый раз измерение сигнала производится в период, соответствующий времени переходного процесса, вызванного переключением полярности магнитного поля, а второй раз - в период, характеризуемый временем установившегося постоянного магнитного поля индуктора.
Во время первого измерения определяется квадратурная компонента сигнала, а во время второго измерения определяется синфазная компонента сигнала.
Рассмотрим вариант предлагаемого изобретения, в котором витки катушки не связанны с цепью электродов и измеряемой средой. В этом случае измерение квадратурной компоненты сигнала выполняется у катушки в период, соответствующий времени переходного процесса, вызванный переключением полярности магнитного поля, а синфазную компоненту сигнала измеряют с помощью электродов в период, характеризуемый временем установившегося постоянного магнитного поля индуктора.
Применение предлагаемого изобретения повышает точность измерения расхода жидких металлов.
Источники
1. П.П. Кремлевский, «Измерение расхода многофазных потоков», изд. Машиностроение, Ленинград, 1982.
2. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Новое поколение электромагнитных расходомеров жидких металлов, Приборы, №6, 2012, стр. 6.